Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование состава и динамических условий формирования земной коры Среднего Урала на основе геофизических моделей

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Исследование состава и динамических условий формирования земной коры Среднего Урала на основе геофизических моделей"

-с

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЙ РСФСР

Свердловский ордена Трудового Красного Знамени горный институт им.В.В.Вахрушева

На правах рукописи

АЛЕЙНИКОВ АРКАДИЙ ЛЬВОВИЧ

УДК 550.83:551.14(470.5)

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И ДИНАШЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ СРЕДНЕГО УРАЛА НА ОСНОВЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Специальность 04.00.12 "Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Свердловск, 1989

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Бнаыани Институте геофизики Уральского отделения АН СССР

Ьфициальциа оппоненты: доктор гволого-минаралогических наук,

профессор А.К.Кознрин

доктор гволого-минералогических яаук, В.Н.Пучков

доктор гаолого-минаралогических яаук, профессор С.А.Шихов

Ведущее предприятие - Производственное геологическое соединение

"Уралгаологи^я"

сов на заседании специализированного совета Д 063.03.02 в ';)•;< Свердловском ордена Трудового Краояого Знамени горном институте им. В.В.Вахрушвва

Адрес: 620219, г.Свардловск, ул.Куйбышвва, .30, ГС1Ы26, Свердловский горный институт.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотека института. Авторофарат разослан "_" _ 1989 г.

1989 г. в ча-

Учадый секретарь специализированного совата, доктор ф.-ы.наук,профессор

Ю.Б.Давидов

„■ .. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Для гарантированного удовлетворения 'Р/раСгущих потребностей народного хозяйства в минеральном сырье • необходимо опережающее развитие минерально-сырьевой базы страны. В числа возникающих в связи с этим задач одной из важнейших для Уральского региона ставится поиск критериев для обнаружения глу-бокозалегающих месторождений и прогноз горно-гзологических условий добычи полезных ископаемых на больших глубинах. Исходные данные для еэ решения, по-видимому, могут быть получаны в результате изучения состава, строения, истории развития я механизма формирования литосферы и связанных с ними закономерностей размещения полезных ископаемых. Актуальность рассматриваемой задачи отмечена академиком Б.С.Соколовым, который, опираясь на Директивы ХХУП съезда КПСС, в отчетном доклада Общему собранию ОГП'ГН АН СССР (17 марта I98S г.) указал на то, что "... изучение закономерностей строения замяой кора и .размещения в ней полезных ископаемых - проблзма, сформулированная 30 лат тому назад Н.С.Шат-ским и единая для Мингео и АН СССР, должна оставаться в центре нашего внимания" /Б.С.Соколов. Геологические науки: некоторые итоги., Изв. АН СССР, сер.геол., 1986, №12, о.12-29/.

Рель работы. Выяснить возможности и разработать метод определения по скоростям распространения продольных и поперечных воля состава земной коры и верхней мантии; выполнить петрологическую интерпретации геофизических данных и на основе структурно-петрологических моделей исследовать динамические условия формирования оснозннх структур Урала.

Задачи исследований, решить которые оказалось необходимым для достижения поставленной дели, можно сформулировать следующим образом:

1. Определить основное направление исследований и выработать принципа построения гаолого-гаофизичаских моделей как средства познания структура, состава и механизма формирования замной коры Урала.

2. Разработать методику расчета скоростей распространения продольных и поперечных воля в горных породах по химическому составу и исследовать влияние на их упругие овойства пористости, трещиноватости, влагонасащения, давления и температур. .

3. Исслэдовать возможность повышения точности определения состава и оценки'значений плотности и пористости горных пород в земной кора при совместном использовании данных о скоростях распространения в пай продольных и поперечных воля.

4. Разработать методику и осуществить переход от моделей, . характеризующих распределение скоростей продольных волн в земной коре Урала, к соответствующим им петрологическим моделям.

5. Выполнить обобщенна и анализ геолого-геофизических данных о строении крупнейших структуряо-формационных зон Урала и о помощью фотоупругих моделей, имитирующих распределение в них упругих напряжений, обусловленных действием тектонических сил, исследовать возможный механизм формирования этих структур.

6. Посредством измерения в горных выработках и моделирования на оптически-активных средах исследовать современное напряженное состояние земной коры Урала и его связь с динамическим влиянием Уфимского выступа Восточно-Европейской платформы.

7. Исследовать закономерности расположения разломов (линеа-ментов), их связь с динамическими условиями формирования земной коры я обусловленные ими особенности размещения месторождений полезных ископаемых в Уральском регионе.

Основные защищаемые положения.

1. Метод определения упругих свойств горных пород по их химическому составу и способ оценки значений плотности, пористости и содержания кремнезема в силикатах по скоростям распространения продольных и поперечных волн, позволившие разработать новый количественный подход к петрологической интерпретации данных сейсмометрии.

2. Разработанные на основе данных о скоростях распространения продольных л поперечных волн петрологические модели-земной коры я верхней мантии Урала" и структурно-петрологическая модель Тагильского прогиба, позволяющие исследовать динамические условия его формирования.

3. Геодинамическая модель формирования современной структуры земной коры Среднего Урала, отражающая роль горизонтальных тектонических сил, а сформулированный на ее основе вывод о природа поясового размещения месторождений полезных ископаемых в Уральском региона.

Научная новизна. Впервые разработана методика расчета упругих характеристик горных пород по их химическому составу, вычислены скорости распространения в них продольных и поперечных волн и на основа полученных результатов выполнен анализ зависимости указанных кинематических параметров силикатов от содержания ¿¿Сц О и -¡.д. и от плотности.

Показана возможность повышения точности определения состава и плотности горных пород посредством совместного использования значений скоростей продольных и поперечных волн и до экспериментальным данным установлены корреляционные зависимости, позволяющие определять плотность и вероятный состав земной кода и мантии по результатам сейсмических наблюдений. Выполнен анализ влияния пористости на упругие свойства горных пород и построена номограмма для приближенной оценки значений ее в горных породах в земной кора по материалам сейсмометрии.

На моделях трещиновато-пористых сред исследована зависи- -мость скоростей распространения продольных и поперечных вола от давления и температуры и разработана методика учета их влияния при определении плотности упаковки атомов в горных породах по сейсмическим данным. По значениям скоростей распространения продольных и поперечных воля выполнено построение петрологических моделей земной коры и верхней мантии и структурно-штрологической модели Тагильского прогиба на Среднем Урале.

Впервые по совокупности геолого-геофизических данных, результатов инструментального изучения напряженного состояния гЬр-ных пород и моделирования распределения напряжений в фотоупругих моделях, имитирующих зоны поднятий и прогибов, исследованы динамические условия формирования Урала и показано, что современная структура его во многом обусловлена действием горизонтальных сжимающих сил, причем с указанными динамическими условиями тектогенеза овязано формирование геометрически упорядоченной системы разломов (линаамантов) и как следствие ее - поясо-воа размещение месторождений полезных ископаемых в Уральском регионе.

Практическая ценность работы. Выявленные на оонова расчг них и экспериментальных данных корреляционные зависимости скоростей распространения продольных и поперечных воля от состава, плотности и пористости позволяют при комплексном использовании

4

обоих кинематических параметров более точно, чем по любому одному из них, определять перечисленные характеристики горных пород в условиях естественного залегания и создают реальные предпосылки повышения информативности и эффективности сейсморазведки и комплаксирования ее с гравиметрией при изучении строения земной коры и поисках полезных ископаемых.

Предложенный в работе подход к интерпретации геолого-гао-физичаских данных, сочетающий построение структурно-петрологической модели изучаемого объекта и анализ динамических условий и механизма его формирования, уменьшает неоднозначность решения обратной задачи геофизики и может быть использован в практике исследования земной коры геофизическими методами.

Результаты изучения современного напряженного состояния земной коры Урала дают исходные сведения, необходимые для ратания задач управления горным давлением с целью обеспечения наиболее безопасных и экономически эффективных условий добычи полезных ископаемых, а также для прогнозной оценки сейсмической опасности в зонах предполагаемого строительства атомных электростанций и других крупных промышленных объактов в Уральском региона.

Реализация результатов работы. В настоящее врамя разработанный в результате проведанных исследований подход петрологической интерпретации материалов'сейсмометрии, заключающийся в совместном использовании данных о скоростях распространения продольных и поперечных волн, применяется при изучении строения земной коры Урала. По значениям скоростей Р- и Б -воля выполняется определение плотности горних пород в земной кора. .

Оценка значений плотности и пористости горных пород и содержания в них кремназама осуществляется лабораторией сейсмометрии (ИГ УрО АН СССР). В частности, установленные по расчетным и экспериментальным данным корреляционные зависимости скоростей Р~ и Б-воля от плотности использованы при построении прогнозного разреза земной коры, в района бурения Уральской сверхглубокой сквакины. Результата исследования динамичэоких условий новайшаго и современного тектогенеза и особенностей расположения эпицентров землетрясений в зоне концентраций скалывающих напряжений, обусловленной влиянием Уфимского выступа Русской платформы, использовались при прогнозной оценке сейсмической опасности площадки Белоярской АЭС.

5

Результаты изучения современного напряженного состояния горных пород в земной коры Урала и, в частности, вывод о том, что в уральских рудниках оно определяется не только весом налагающих сверху толщ, но и горизонтальными тектоническими силами,исполь- . зуются при разработка способов оценки и прогноза.устойчивости выработанных в процессе добычи полезных ископаемых пространств и методов управления горным давлением.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Первой Уральской сессия Научного совета по комплексным исследованиям земной коры и верхней мантии (Свердловск, 1966); расширенном Пленуме Междуведомственной комиссии по геоморфологии и новейшей тектонике Урала и Поволжья (Уфа, 1970), Втором Казагстан-ском петрографическом совещании (КЕалхаш, 1974); 1У Всесоюзном совещании по физическим свойствам горных пород и минералов при высоких давлениях и температурах (Тбилиси, 1974); ХУ1 Генеральной Ассамблее Международного союза геодезии, геофизики, геологии (Гренобль, 1975); Всесоюзном совещании по геофизическим исследованиям при крупномасштабном картировании и прогнозировании месторождении (Ленинград, 1976); ХХУ Международном геологическом конгрессе (Мельбурн, 1976), Научно-техническом совещании по созданию и перспективам развития гаолого-геофизических полигонов (Ленинград, 1977); УП Всесоюзном совещании по изучению современных движений земной коры (Львов, 1977); 71 Всесоюзной конференции по механика горных пород (Фрунзе, 1978); Всесоюзной научной конференции по проблемам развития производительных сил Урала на перспективу до 1990-2000 г. (Свердловск, 1979); Заседании выезд» ной экспортной комиссии Секции геофизики научно-технического о о-вета Мингео РСФСР (пос.Заречный, Свардл.обл., 1979); Пятом Все-, союзном вулканологическом совещании (Тбилиси, 1980); IX Всесоюзной научно-технической геофизической'конференции (Красноярск, 1980); У1 Всесоюзном совещании по исследованиям физических свойств горных пород при высоких давлениях для задач сейсмологии (Ташкент, 1981); Всесоюзном совещании по разработке и комп-лексйрованию геофизических методов при детальной и эксплуатационной разведка рудных месторождений (Ленинакан, 1982); ХХУП Международном геологическом конгресса (Москва, 1984); Шрвой 1^ль-ской металлогенической конференций (Свердловск, 1985); УП Всесоюзном совещании по исследованию физических свойств горных по-

род при высоких давлениях и температурах (Ереван, 1985).

Использованный статический материал й личный вклад автора. Сложность геологического строения Урала, диалектическая взаимосвязь его структуры, механизма формирования, состава слагающих земную кору и верхнюю мантию горных пород и термодинамических условий их современного существования определили соответствующий выбор комплекса материалов и средств исследования.

При изучении упругих свойств горных пород и их зависимости от химического и минерального состава, пористости, трещшюватос-ти, давления и температуры использовались розультаты расчетов, выполненных автором по разработанной им методике. Проверка этих результатов и уточнение коэффициентов в корреляционных формулах для оценки значений плотности и содержания кремнезема по скоростям продольных и подарочных волн осуществлялись на основа экспериментальных материалов, опубликованных различными исследователями, а также данных измерений,выполненных Н.И.Нймзоровдм (ИГ УрО АН СССР).

Для определения вероятного состава земной кори и верхней мэнтяи использовались опубликованные материалы ГСЗ и результаты геотермических исследований, а также данные лаборатории сейсмометрии (ИГ УрО АН СССР), на основа которых при непосредственном участии'автора построена структурно-дбтрологяческая модель Тагальского прогиба на Среднем Урале.

• Для изучения динамических условий тектоганеза и выяснения механизма формирования современной структуры земной коры Урала использованы опубликованные геолого-геофизические материалы по тектонике ее верхней части и глубинному строению, новейшим и современным.движениям, а также результаты моделирования и инструментальных исследований ее напряженного оостояния, выполненных но инициативе и при непосредственном участии автора.

Для.исследования дизъюнктивной нарушенности земной коры, динамических условий образования разломов и влияния их на размещение месторокдаяий полезных ископаемых использована карта расположения линаамантов, составленная С.И.Стрельниковым (ВСВГЕИ).

В опубликованных по теме диссертации работах автору принадлежит идея,выбор направления исследований, инициатива и непосредственное участие в их выполнении, включая, за редким исключением, написания текста.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 290 страниц машинописного текста, 100 рисунков, 42 таблицы и текстовое приложение.

Соде ржание работы

Введанив. Во "Введении" рассматриваются понятна "геолого-геофизичаская модель земной кода", основные принципы еа построения и возможные источники необходимой для этого информации. Исходя из того, что разработка модели изучаемого объекта должна представлять собой на только цэль, но и средство исследования, ценность еа определяется научным и практическим значением тех выводов, которые могут с&ть сделаны лря анализа вытекающих .*" нее следствий. Поиску подхода к такому ясслэдовапию, в частности проблама петрологической интерпретации сейсмических данных и выяснению динамических условий формирования земной кори Урала на основа еа структурно-петрологических модалвй, и посвящена реферируемая работа.

Глава I. Методика исследования зависимости между физическими свойствами, составом и механическим состоянием горных пород

В первой глава дается описание методики я результатов расчета физических свойств (скоростей распространения продольных и поперечных воля, модуля объемной упругости и плотности)- горных пород по их химическому и минеральному (нормативному) составу с учатом влияния пористости и трещкноватости. Показано, что для определения скорости распространения продольных воля может быть использована линейная зависимость ее от плотности упаковки атомов. Скорость поперачных волн в компактных изотропных средах рассчитывается по значениям скорости продольных волн," модуля объемной упругости и плотности. Последняя определяется как произведение среднего атомного веса на плотность упаковки атомов . в горной порода, вычисляемых по результатам химического анализа ае и (или) по минеральному составу. Если тип горной порода известен, то относительное содержание в ней различных минералов мокат быть вычислено посредством пвтрохимичесних пересчетов данных химического анализа на нормативный минеральный состав. Расчет модуля объемной упругости горной порода осущэствляатоя на основа соответствующих характеристик слагающих еа породсобра-

зующгос и акцессорных минералов. Ира этом вычисляются два предельных значения искомого параметра - минимальное (в предположении об однородности напряженного состояния - гипотеза Ройса) и максимальное (в предположении об однородности относительных объемных > деформаций - гипотеза Фойгта). Для практических целей в соответствии с предложением Хилла по найденным предельным значениям вычисляется средняя величина.

Определенные таким образом упругие свойства с погрешностью приблизительно 1,5-2,0$ по скоростям продольных и 3-5$ - по скоростям поперечных волн соответствуют идеализированной горной породе, в которой отсутствуют поры и трещины. Для исследовании их влияния на рассматриваемые свойства реальная трещиновато-пористая среда заменяется ее моделью^состоящей из плотно упакованных ячеек, все или часть которых содержат трещины и (или) поры. При этом поры имитируются полостями кубической формы; трещины -параллелепипедами, один из размеров которых много маныш двух других, а объем пренебрежимо мал по сравнению с объемом ячейки.

Расчеты упругих модулей, коэффициента Пуассона и кинематических характеристик выполнена для сухих и влагонасыщенных гидрофильных горных пород при различных значениях относительного объема пор, плотности распределения и относительных размеров трещин.

Наиболее существенные для направления дальнейших исследований'результаты расчетов сводятся к следующему:

1. С увеличением пористости (и соответственно о уменьшением плотности) модуль объемной упругости, коэффициент Пуассона и скорость распространения продольных волн уменьшаются, причем темп уменьшения существенно Зависит о^ коэффициента 'Пуассона материала матрицы (скелета). При этом скорость поперечных волн остается неизменной или несколько возрастает,, что овязано с относительно более интенсивным, по сравнению о изменением модуля сдвига, уменьшением плотности.

2. В случае сухих горных пород главным фактором,определяющим уменьшение эффективных модулей упругости и скоростей распространения сейсмических волн, является рост трещияоватости, причем о увеличением ее скорость продольных воля убывает относительно быстрее,чем поперечных.

3. Заполнение водой пор оказывает на существенное влияние на изменение упругих свойств горной порода; в то жа врамя на-

9

снщаниа жидкостью микротрещин приводит к возрастанию модуля Юнга и скорости распространения продольных волн вплоть до величин, характерных для нанарушенной породы, но весьма мало сказывается на изменении скорости поперечных волн. Следовательно, можно ожидать, что изотропные трещиновато-пористые водокасыщенные горные породы и руда, за исключением гидрофобных образований (сульфиды, графит, битуминозные известняки и т.д.), по сравнению с их ненарушенными и не имеющими объемных пор аналогами должны характеризоваться меньшими или равными значениями отношения модуля объемной упругости к плотности и более высокими или равными значениями отношения скорости распространения продольных волн к скорости поперечных.

- Указанное соотношение физических свойств является благоприятной предпосылкой для разработки методики петрологической интерпретации данных сейсмометрии при изучении верхней части земной коры, где горные порода обычно нарушены трещинами и насыщены водой, то есть в таких условиях, в которых использование лишь продольных волн малоэффективно.

Глава 2. Упругие свойства горных пород в различных термодинамических условиях

Во второй глава рассматриваются следующие вопросы: ^зависимость упругих овойств горных пород от давления; 2) зависимость упругих свойств горных пород от температур* и 3) продолжительность существования пор и трещин в горных породах в условиях всаотороннаго сжатия.

При оценке величины изменения упругих параметров горной порода в зависимости от вариаций действующего на нез всестороннего сжатия предполагается, что связь между объемной деформацией и давлением подчиняется закону Гука. В соответствии с указанным предположением для модели пористой среды вычислялась величина изменения объема пор, а для модели трещиноватой среда - величина изменения относительного размера трещин. Согласно расчетам в интервала давлений от Р = 0 до Р = 21,ОК (К - модуль объемной упругости), что, например, для гранита (К~5«10® кг/см2) составляет ~ 10,5 кбар, объем пор изменяется"линейно и уменьг зт-ся приблизительно на 12%. Такому уменьшению пористости соответствует возрастание плотности и скорости распространения про-

Ю

дольних вола на ^ 1-3%, при практически неизменном значении скорости поперечных воля.

Давление, необходимое для закрытия трещина, при прочих равных условиях тем вышб.чем больше степень ее "раскрытия" и ыейьсе плотность распределения трещин и коэффициент Цуассона материала матрицы (скелета). При давлении, составляющем Р/К- ю часть модуля объемной упругости материала "скелета" трещиноватой горной порода, в ней сохраняются трещины, отношение расстояния < h. ) между противоположными "стенками" которой к жарактар-ному'размеру (С ) меньше величины Р/К, что соответствует известному критерию Уолша.

Закрытие микротрещин является одной из основных причин возрастания скоростей распространения продольных и поперечных воля в трещиноватой горной породе, причем, судя по результатам расчетов, наибольшее относительное увеличение их происходит в интервале давлений от РД-^КГ® до что, например, для

гранита, соответствует изменению давления от до 2,0-

2,5 к<5ар.

Для оценки возможных величин изменения плотности упаковки атомов и связанных с ней упругих свойств и плотности горных пород под влиянием высоких гидростатических давлений принято следующее допущение: соотношение между плотностью упаковки и модулем объемной упругости, установленное для различных минералов п горнах пород при атмосферном давлении, является справедливым и для одного и того же минерала (горной порода) при различных давлениях. В соответствия с указанным допущением и с учетом того, что зависимость между плотностью упаковки атомов а модулем объемной упругости минералов в первом приближении кожет быть принята линейной, были рассчитаны значения плотности и декремента объема.при всестороннем сжатии кварца, форстерита, фаялита, Лабрадора, диодсида и корунда. Сопоставление полученных данных с результатами определения рассматриваемых характеристик методом ударного сжатия показывает, что расхождение между раочетными и экспериментальными данными при отсутствии фазовых переходов в минералах ограничивается первыми процентами. Следовательно,принятое при расчетах предположение о линейной зависимости модуля объемной упругости от плотности упаковки атомов может использоваться при прогнозировании упругих свойств минералов и горных

II

пород в условиях давлений, существующих в земной коре и в мантии.

Оценка значений упругих свойств горной порода в различных термодинамических условиях (при отсутствии фазовых пароходов) основана на том, что температура и давление оказывают противоположные воздействия на ая плотность упаковки атомов, пористость и трвщшшватость. При одновременном увеличения давления и температуры тепловое расширение породы отчасти компенсирует влияяш давления, как бы уменьшая его на величину а Р~КчСт- дТ , где <ХТ - коэффициент теплового расширения, К - модуль объемной упругости, аТ - приращение температура. Расчеты показывают, что при достаточно высоком постоянном давлении, препятствующем раскрытию микротрещин, скорость распространения продольных волн с ростом температуры уменьшается практически линейно,причем значение . по порядку величины равно

коэффициенту теплового расширения.

Для определения вероятной продолжительности существования трещин и пор в горной порода в условиях всестороннего давленая использована модель упруго-вязкой среда Максвелла. Согласно расчетам, время "жизни" трещины размерил ^ Р/к прл давления, составляющем Р/^ - часть модуля-ос^лмной упругости, вязкости материала "скелета" 1023 пуаз и значания К~ достигает Ю^-Ю5 лат; врамя жизня объемных пор (при Р ~ 103-Ю4 кг/см2) составляет 10б-107 лат. Вяутрипоровое давление жидкости увеличивает продолжительность существования пор и да-лавт его соизмеримым с возрастом самой горной порода. - .

На основании результатов расчетов рассмотрены условия существования пор и тращян в земной кора Урала и сдалаа вывод о необходимости учета их влияния на физические свойства горных пород при петрологической интерпретация данных сейсмометрия.

Глава 3. Опредаланта плотности и состава горнах пород ко скоростям распространения продольных я поперечных волп - .

Третья глава посвящена анализу результатов расчзта упругх свойств магматических я метаморфических горных пород, изучении корреляционной зависимости их от химического состава, кссдадова-нгао зависимости между плотностью и скоростями распространения

продольных и поперечных волн и поиску путай повышения точности определения состава, плотности и пористости слагают« замше недра образований по данным сейсмометрии. В соответствии с результатами расчетов на моделях идеально компактных сред показано, что ультраосновныа породы, пяролиты и эклогиты, условно объединяемые в группу "мантийных", по физическим свойствам резко отличаются от пород "коровой" группы (от гранитов до габбро включительно), причем различие между средними значениями скоростей продольных волн составляет го 1,3+ 1,7; поперечных ~0,7*1,3 км/с; плотности 0,3*0,6 г/см . Дифференциация горных пород по физическим свойствам внутри каждой из групп значительно менее резкая. С ростом основности в ряду гранит-габбро скорости продольных волн р отношение кх к скорости поперечных возрастают приблизительно на ~ 10$, плотность на 15$ и отношение модуля объемной упругости к плотности на 40$. По скорости поперечных волн они практически не различаются. Напротив.ультра-основные породы и эклогиты характеризуются близкими значениями К/р , но отчетливо различаются по скоростям поперечных волн.

На основа проведанного анализа сделан вывод о том, что для определения типа горной порода на следует ограничиваться величинами скоростей продольных волн, а необходимо также учитывать и скорости поперечных волн и вычисляемые по обеим кинематическим .

характеристикам значения сейсмического параметра К// и •

Значения указашшх характеристик,вычисленные по разработанной в диссертации методика, использованы для исследования связи между упругими свойствами и составом горных пород. В работе приводятся графики и уравнения корреляционной зависимости К/р и \/р/\4 от содержания оксидов кремния, магния, кальция, железа, алюминия, натрия, калия. Путам сопоставления с экспериментальными данными показано, что сода ржа ниа кремнезема в горных породах, определенное как среднее из оценок по значениям К/у и \/р / \/в » с погрешностью на более 5$ совпадает с результатами химических анализов. Получанный результат согласуется о отмеченным ранее соотношением свойств (К /р и идеально компактной

порода и аналогичных по составу трещиновато-пористых влагонасы-щенных разностей ее.

Поиск способа решений задачи перехода от кинематических характеристик к плотности осуществлялся посредством анализа ре-

зультатов вычислений их на моделях идеально компактных горных пород с учетом влияния сухих и водояасыщеяннх пор и трещин .Данные расчетов, подтвержденные .измерениями на образцах, указывают : на то, что для большинства горных пород зависимость медду плотностью и скоростью распространения продольных волн при постоянном давлении, обеспечивающем закрытие трещин, практически линейна. При этом увеличению плотности горных пород и минералов при постоянной скорости продольных воля соответствует уменьшение скорости поперечных. Отмеченная закономерность проявляется в широком интервале значений плотности и скоростных характеристик и, по-видимому, не зависит от влияния давления.

В работе приводятся графики и эмпирические формула,погзо-ляющие вычислять плотность при совместном задании и S/s (точнее,по K./j> и Vj», ^s ) с точностью,в полтора-два хаза более высокой,чем по традиционно применяемому способу определения ее по скорости продольных волн. Преимуществом описанного в работе подхода является то, что он дает вполне надежные результаты (с погрешностью, определяемой точностью задания Vp и V& ) даже при изучении верхней части земной кора, где на упругие свойства горных пород,кроме состава.значительное влияние оказывают пористость и трещияоватость..

Для выяснения возможности определения пористости по данным сейсмометрии был применен следующий простой прием. На плоскость в координатах K/j5 и \/р / \/s наносились точки с указанием соответствующих им значений пористости (о( ). При этом, оказалось, что все они закономерно расположились'в зависимости от величины ос , образовав линейно-вытянутые зоны, наклоненные к координатным осям приблизительно так жег как и построенные в той же системе координат изолинии Vp и \/$ . На основе установленной таким образом закономерности показано, что пористость может быть определена при совместном задании К /j1 и Vp /\JS . Согласно теоретическим расчетам и экспериментальным данным точность определения относительного объема пор в горных породах при прочих . равных условиях будет тем выше, чем больше коэффициент Цуаооона материала "скелета", т.е. чем больше отношение скоростей .распространения в нем продольных и поперечных волн.

В работе приводится построенная на основа расчетных и экспериментальных данных номограмма, позволяющая оценивать шли- :

чину пористости в интервале значений ее от 0 до 4-6$.

Глава 4. Скорости распространения упругих волн и петрологические модели земной коры и верхней мантии Урала

При выполнении исследований, описываемых в четвертой главе, в качестве исходной информации использованы результаты определения скоростей продольных воля на Свердловском, Красноуральском, Темиртау-Куйбашеэском, Актюбинском широтных и меридиональном (Нижняя Тура - Орск) профилях ГСЗ, опубликованные в работах В.С.Дружинина, В.М.Рыбалки, Н.И.Халевина, Б.А.Хрычева и др.данные расчетов вероятных значений температуры в земной коре, опубликованные в работах Ю.П.Булашевича, Н.С.Боганяка и В.Н.Сальникова, а также сведения о кинематических характеристиках Р- и £>-волн, полученные по материалам сейсмических наблюдений на Красноуральском и меридиональном профилях ГСЗ и Кушвинской рассечке, содержащиеся в работах, выполненных сотрудниками лаборатории сейсмометрии Института геофизики УрО АН СССР совместно с автором.

По скоростям распространения продольных волн с учетом предполагаемых в земной коре значений давления и температуры вычислялись соответствующие им величина плотности упаковки атомов ; «\« 100_р/т « \/р/ Ц/ (р,т) , где р - плотность, Ьл - средняя атомная масса,. \/р - скорость продольных волн, Ч^ (р.т) -■ коэффициент, зависящий от давления и температуры (для опреде®-ния этого коэффициента в работе приводится номограмма). Расчеты и анализ результатов были выполнены для различных моделей распределения кинематических параметров как в варианте с волноводами, так и без них. Найденные по сейсмическим данным значения плотности упаковки атомов сопоставлялиоь с величинами, соответствующими горным породам различного состава, а выбор конкретных типов последних в качестве петрологических моделей слоев осуществлялся с учетом возможности существования их в термодинамических -условиях земной кора Урала. .

Согласно выполненным оценкам на ибо да а низкие значения плотности упаковки атомов во всех вариантах моделей отмечаются на Русской платформе в верхнем слое кора, условно названном осадочным ( ГЦ,,«» И,4г-а /100 см3); средняя плотность его в предположении, что 'т =21,5, составляет <~ 2,45 г/ом ).

На Урала, в Гевдинско-Пиашинском блока, он характеризуется плотностью упаковки атомов г\ 12,7*13,1 г- а /юо см и объемной плотностью ~ 2,8 -0,05 г/см^. .

Слой, лежащий под "осадочным", в сейсмической модели, г да он выделяется в качестве "кристаллического фундамента", по рассматриваемому параметру в про делах Русской платформы соответствует породам кислого-среднего состава 2,7-2,75 г/см^), а в Ревдинско-Пышминском и Вагай-Ишимскогл блоках - пра имуща ствеяного среднего 2,75-2,8 г/см3).

Наибольший затруднения встречаются при петрологической ин-терпратадии сейсмических данных, характеризующих среднюю и нижнюю части земной коры, и прежде всего при выяснении геологической природа волноводов. Сопоставление кинематических характеристик таких слоев, расположенных примерно на одинаковых глубинах на Урала и в других регионах, существенно отличающихся от наго по геотермическому режиму, дает основание считать, что относительно низкиа значения скоростей продольных воля в них обусловлены в основном не физическим состоянием, а химическим и минеральным составом горных пород.

Среди различных типов горных пород (габбро, базальты,амфиболиты), соответствующих по плотности упаковки атомов высокоскоростным олоям, устойчивы},ш в условиях давлений и температур,существующих на рассматриваемых глубинах в недрах Урала, являются амфиболиты и амфиболитизированныа базальтоида. Амфиболиты могут слагать также и низкоскоростныа слои. Например, плотность упаковки атомов в биотитязированной разновидности амфиболита, содержащей 20% амфибола, 30$ биотита и 20$ кварца, равна 11-12 г-п/100 сыР, что приблизительно соответствует значению ее в волноводах.

Возможно, что отдельные прослои и линза в земной кора и переходной зона состоят из ультраосновных пород, в различной степени сарпентинйзировашшх; наличием их можно объяснить как высо- ' кие граничные скорости продольных воля (7,6-7,8 км/о), так и зоны низких скоростей (~ 6,0 км/с).

Предположение об амфиболитовом составе горных породив средней и нижней частях земной коры накладывает серьезные ограг ш-ния на выбор гипотез о термодинамических условиях оа формирования, поскольку существование толщ амфиболитов, согласно экспа-

риментальным данным А.Е.Рингвуда, указывает на го, что они либо » на нагревались выша 600-Ю00°С, либо нагрев этот и последующее охлаждзниэ происходили при высоком парциальном давлении водяного пара.

Петрологическая модель, составной частью которой являются амфиболиты, амриЗолитнзировашше базальтоиды, серпентиниты, а также по аналогии с моделью, предложенной Дан Тексом, кислыа и средние гранулиты, позволяет объяснить происхождение переходной, от коры к мантии зоны как результат погружения нижней части земной коры в область давлений Р ^ 10-12 кбар, т.е. на глубину . . ' ~ 38-40 км. В этих условиях при температура г- 600°С горные породы, соответствующие по составу базальтам, переходят в альмандин-амфиболитовую фацию метаморфизма, дри которой в них образуется гранат, вследствие чего плотность упаковки атомов и скорость продольных волн возрастают. Сравнение плотности упаковки атомов в горных породах переходной зоны и в минеральных ассоциациях,со-. стоящих праимущастваняо из амфибола, плагиоклаза, эпидота и граната, подтверждает гипотезу о фазовой природе этой зоны.

Построениэ петрологической модели верхней мантии в Уральском региона выполнено на основа данных о граничных скоростях распространения в най продольных и поперечных волн. В соответствии с известными гипотезами о составе материала верхней мантии рассчитывались значения >/р и \/5 в различных минеральных ассоциациях и осуществлялся подбор их по обеим кинематическим характеристикам. В результате оказалось, что по указанным физическим свойствам мантийному веществу в предалах Прздуралья и в миогео-синклинальной зона Урала.соответствуют эклогиты, состоящие из 45$ пиропа и 55$ диопсида; шлинелевый перидотит, содержащий около 30$ магнезиальной шпинели, и пироповый перидотит, содержание пиропа в котором составляет 30-40$; в эвгеосинклинальной зоне и в Зауралье - дуниты и дунит-гарцбургиты. Согласно гравиметрическим и сейсмическим данным относительно более плотные, по сравнению с дунитами (3,3-3,35 г/сы^), эклогиты и перидотиты (3,43,5 г/см3) образуют' линзы мощностью 5-10 км, а расположенные глубже мантийные образования.обладают такими же скоростями продольных волн (8,3-8,4 км/с),как дунит-гарцбургиты, гарцбургиты и пиролиты. Судя по значениям скоростей поперечных, волн, более вероятным является гарцбургитовый состав мантийного вещества,

что согласуется о выводом о низком тепловом потока из мантии, сделанным Ю.П.Булашавичем.

Построение петрологической модели земной коры Тагильско-Магнитогорского погружения выполнено по материалам сейсмических исследований в Тагильско-Кушвинском районе, где впервые на практике была исследована и показана возможность использования кинематических характеристик продольных и поперечных волн для определения состава и плотности верхней части земной коры, т.е. в условиях, когда петрологическая интерпретация данных сейсмометрии затруднена влиянием на физические свойства горных пород тре-щиноватости и обводненности. По значениям скоростей распростра-, нения Р- и Б- волн на основе соответствующих корреляционных зависимостей были выполнены оценки валичин плотности, пористооти, содержания кремнезема и других компонентов горных пород в земной коре. Согласно таким оценкам среднее содержание кремнезема в комплексе эффузивно-осадочных отложений составляет 55$, причем отклонения от этой величины не превышают -5%; плотность их приблизительно равна 2,85-0,05 г/см3. В осевой зоне погружения на глубине 7-8 км они подстилаются километровой толщей горных пород с плотностью ~ 2,75 г/см3 и содержанием кремнезема около 60%. В интервала глубин от 7-8 до 11-12 км горные порода характеризуются плотностью ~ 2,95 г/см3 и содержанием кремнезема ~ 50%. По физическим свойствам и составу они подобны амфиболитам, обнажающимся в пределах Саддияского массива Восточно-Уральского поднятия вблизи его границы о Тагильским прогибом. Ниже . этой толщи залегает блок горных Пород 4-5 километровой мощности, о плотностью ~ 2,7-2,75 г/см3 и содержанием кремнезема'- 65±5$. По структурному положению, физическим свойствам и составу он отождествляется с фрагментом гранито-гяейсового фундамента. С запада и востока к нему примыкают даа массива, по содержанию кремнезема ( ~ 45$), плотности (г~> 3,05 г/см3) и положению в структуре прогиба рассматриваемые как интрузивы габбро, соответствующие Платинонооному и Серовско-Маукскому габбро-паридотито-вым поясам. '

Глава 5, Схематическая мода ль строения и динамические условия формирования земной кош Урала

В пятой глава рассматривается вопрос о характере сил, действием которых могли быть обусловлены наиболее оупрственные элементы тектоники Урала, нашедшие отражение в структурно-латроло-. гических моделях его, разработанных на основе геофизических данных.

Парный параграф главы посвящен обзору схем тектонического районирования и моделей тактогзназа, предложенных в разное время последователями Урала; в нам отмечены общность и различия в представлениях геологов по исследуемой проблеме и выделаны наиболее важные дискуссионные вопросы, связанные с изучением механизма формирования основных структурных элементов земной коры. Во втором параграфа по опубликованным материалам ГСЗ дается описание наиболее существенных черт ее строения и рассматривается вопрос о том, посредством какой из известных моделей тактоганеза можно объяснить их происхождение. В соответствии с геологическими и геофизическими данными идеализированная модель геологического строения Урала была представлена в виде среда с волнообразно изогнутой поверхностью ("древний кристаллический фундамент"), образующая ряд линейно-вытянутых поднятий и прогибов, и системой разломов, расположенных группам, веерообразно сходящшися книзу в поднятиях и расходящимися - в прогибах,за исключением Тагиль- • ско-Магнитогорского. В предположении, что разлома вторичны по отношению к изгибным деформациям, эта модель, но без дизъюнктивных нарушений, была принята в качестве исходной для исследования распределения скалывающих напряжений, возникающих при действии горизонтальных тектонических сил. На основе сопоставлении положения зон концентраций скалывающих напряжений в моделях и разломов в разрезе земной коры (Свердловский профиль ГСЗ) с учетом всей совокупности рассмотренных геолого-геофизичвских данных сделан вывод о том, что формирование прогибов и поднятий происходило в результата вертикальных движений блоков земной кори в условиях горизонтального сжатия.

Содержание четвертого параграфа в основном связано с изучением строения и динамических условии формирования Тагильско-Магнитогорского прогиба. Его модель в соответствии с геологическими и геофизическими данными представляется в вида келобооб-

разной впадины, заполненной слоями и линзами э£фузивяо-осадоч-ных пород, нарушенными разломами я интрузивными массивами. Газ-ломы, синформныа зона прогиба, лодраздадяются на три групш. В первую объединяются Главный Уральский и Саровско-Маукокпй, падающие навстречу друг другу и связанные с глубинными массивами габбро. Ко второй отнесены разломы, падающие под соседние поднятия; к тратьай - субвертикальные. Разломы каждой из груш расположены попарно симметрично относительно оси прогиба.

Для выяснения механизма формирования рассматриваемых разломов и соответствующих ему динамических условий развития прогиба, как и в первом случае, применялся метод моделирования с использованием фотоупругих материалов. Исследование распрадалзния скалывающих напряжений выполнено на двух вариантах плоских моделей (при отсутствии и наличии магматического очага), подвергнутых воздействию "горизонтальных" сжимающих сил. Сопоставление картины распределения напряжений с геолого-геофизичэскимя разрезами Тагильского прогиба показывает, что разломам первой группы соответствуют две зоны концентрация, обусловленные влиянием магматического очага, в связи с чем находит объяснение приуро-. ченность к ним интрузивных массивов. Образованна""разломов второй группы объясняется концентрацией скалывающих напряжений в зонах перехода от прогиба к поднятиям, а третьей - поперечным изгибом надочаговой толщи. Связь разломов третьей группы с магматическим очагом и возможность движения по ним гидротермальных растворов на разных стадиях его развития, по-видимому, создавали благоприятные условия для формирования поясов меднорудных месторождений. • .

Наличие двух зон концентрации скалывающих напряжений, веерообразно расходящихся от "магматического очага" вниз, дает основание предполагать возможность образования в них разломов (глубинных взбросов), по которым ограниченный ими блок земной коры мог быть вдавлен в мантию. Прогноз существования одного из таких разломов, направления его падения и характера смещений по нему подтверждена результатами ГСЗ по Красноуральскому профилю.

Наряду с моделью, предполагающей широтное сжатие земной корн, в работе рассмотрена альтернативная гипотёза, связывающая образование Тагильско-Магнитогорского прогиба с горизонтальным растяжением. Сопоставление этих моделей между собой о учетом

различий, прочности горных пород по отношению к растягивающим и сдвиговым напряжениям позволило едалагь вывод, что выделенные гида разломов, особенности их расположения в структуре прогиба и характер связи их с интрузивными массивами обусловлены на растяжаниам, а прогибанием земной коры в условиях горизонтального сжатия. С погружением еа в область высоких температур связывается частичное плавление материала коры и образованна магматического очага, что, судя по составу интрузивных массивов Главного Уральского и Серовско-Маунекого разломов, на противоречит рассмотренной ранее петрологической модели земной коры.

В реферируемой глава рассмотрена также модали поднятий. Показано, что в условиях горизонтального сжатия в боковых частях ях возникают зоны концентрации скалывающих напряжений, благоприятные для образования надвигов и взбросов. Отмечено, что глубина "зарождения" их, форма и угол падания зависят от соотношения жасткостай деформируемой среды и сжимающих ее блоков. Рассмотрено распределение напряжений, обусловленное влияние магматического очаш.в условиях действия горизонтальных сжимающих сил. Сдалая вывод, что одной из причин возникновения очага при благоприятных температурных условиях является снижение давления в подсводовой части поднятия.

В последнем параграфе главы на основа гаояого-геофизича-ских данных и моделирования рассмотрены строение и динамические , условия формирования мезозойских тектонических депрессий (грабенов).

. . Результаты моделирования и сравнение их с особенностями . строения этих депрессий (Челябинской, Буланаш-Елкинской и др.) подтверждают предположения К.С.Праображанского, И.И.Горского и В.П.Горского о том ¿что эти структуры "ганатичаски связаны с палеозойскими синклиналями, из которых надвиги вырезали узкие полосы, заполненные угленосными от ложа паями", то есть являются следствием горизонтального сжатия земной кора.

Таким образом, анализ структурно-петрологических мода лай палеозойских поднятий и прогибов и мезозойских тектонических депрессий (грабенов) позволяат сдалать вывод о существенной роли в их формировании горизонтальных сжимающих сил.

Глава б. Геодинамика и особанности геологического строения Среднего Урала

В шестой главе рассматриваются особенности изменения строения уральских структур по простиранию в зависимости от положения их по отношению к Уфимскому выступу Восточно-Европейской платформы; обсуждается вопрос о геологической природе и влиянии этого выступа на распределение напряжений при широтном сжатии литосферы; излагаются результаты исследования динамических условий формирования новейшей тектоники и современного напряженного состояния земной коры.

В результате моделирования оптико-поляризационным методом показано, что наблюдаемые в зоне, примыкающей к выступу, особенности тектоники объясняются обусловленной им концентрацией упругих напряжений, что подтверждает выводы, сделанные ранее А.П.Карпинским, А.Д.Архангельским и В.А.Кузнецовым. Вместе о тем геологическая природа выступа представляется более сложной, чем предполагали эти исследователи. Анализ имеющейся совокупности • геолого-геофизических данных позволяет считать, что повышенная жесткость выступа по отношению к изгибным деформациям, связанным с формированием меридионально вытянутых структур, обусловлена развитыми в нем складками широтного простирания, осложняющими кристаллический фундамент на площада, соответствующей Волго-. Уральскому своду, наиболее выдвинутой на восток частью которого, по мнению Н.С.Шатского, и является Уфимское плато. Вследствие анизотропии "жесткости" образование в условиях широтного сжатия, меридиональных ("уральских") складок и взбросов в рассматриваемой зона должно было иметь подчиненное значение по сравнению с формированием сдвигов и сдвиго-взбросов северо-западного и северовосточного простирания, ■ определивших в конечном итоге конфигурацию границ Уфимского выступа.

Анализ новейших движений земной коры, результаты изучения ее современного напряженного состояния и особенностей расположе-йяя эпицентров уральских землетрясений подтверждают этот вывод и показывают, что динамическое влияние Уфимского выступа проявляется я в современном поле упругих напряжений.

В приложении приводятся сведения о нарушенности земной коры в Уральском регионе .дается характеристика вероятных динамических условий формирования геометрически упорядоченной оети

дянаамэятов и обусловленного наш шясового размещения месторождений полезных ископаемых.

Заключение

В задачу диссертационной работы входило выяснение возможно^ стей и поиск путей петролого-гаодинамической (тектонофизяческой) интерпретации геофизических данных для изучения строения земной коры Урала и динамических условий формирования основных злацентов аа структуры, а также анализ влияния их на размещение месторождений полазных ископаемых.

В качестве методологической основы исследований использовался амшрико-теоратическЕй подход, заключающийся в том, что изучаемый объект имитируется моделью, отражающей эмпирически установленные чарты его и содержащей гипотетические элементы, о реальности которых судят по степени соответствия бытакающих из них следствий фактическим данным. Применялся он как для прогнозирования физичаских свойств горных пород в зависимости от их состава, степени нарушанности и тарыодинашчаских условий существования, так и для изучения вероятного состава, строения и механизма формирования земной коры.

Итогом выполненной работы являются следующие основные результаты и н1воды».

X. Разработана (да то дика определения упругих свойств к связанных с ними скоростей распространения продольных и поперечных ' волн в изотропных горных породах по ях химическому и нормативному минеральному составу.

На моделях трещиновато-пористой среди исследовано влияние сухкх я водснасыщашшх пор и трещин на упругие свойства к скорости распроотраяанйя продольных я поперечных волн в горных породах. Согласно расчатам в сухих горных породах с ростом объемной пористости скорость продольных волн уменьшается значительно интенсивное, чем поперечных; такая ко тенденция изменения скоростей отмечается и при увэличеняи трещиноватости. При насыщения микротрвщия водой в гздрофялышх горных породах происходят возрастание скорости продольных волн при практически неизшшшх . зйачааиях скорости поперачных. По сравнению с на на рушенным горными породами трещиновато-пористиа водонасыщеннна разности кг характеризуются более высоким значением отношения скоростей

продольных я поперечных воля и меньшей величиной отношения модуля объемной упругости к плотности.

2. Согласно расчетам при зсесторопнем давлении (Г) в горной порода происходит "упругое" закрытие трещин, в которых отношение расстояния между станками к среднему размеру зоны отсутствия контакта между яти меньше величины отношения давления к модулю объемной упругости <К0) материала "скелета". Время "вязкого" закрития трещин "минимального" размера, устойчивых при указанном давлении, при вязкости горной породы ™ 1023 пуаз составляет 103-105 лет. "Упругое" закрытие трещин с ростом давления в интервале изменений его от ** 10"^ до 10""^ К0 является главной причиной увеличения скорости распространения упругих воля. Уменьшение объема изометричных пор при возрестанш давления Р до Ю~2 К0 (10-12 кбар) составляет 10-12$, что соответствует увеличению скорости продольных волн на 1-3$. При отсутствии пор изменение упругих свойств горных пород и минералов с ростом давления обусловлено увеличением плотности упаковки .. атомов, причем между указанной характеристикой и модулем объемной упругости существует близкая к линейной зависимость.-

Рост температуры горных пород и минералов приводит к уменьшению скорости продольных волн, причем в случае постоянного давления зависимость между ними является обратно пропорциональной. На основа расчетных и экспериментальных данных построена номограмма для учета влияния давления и температуры на скорость продольных водя в горных породах.

3. По методике, разработанной в диссертации, рассчитаны плотность и скорость распространения продольных и поперечных волн в ряде типов горных пород от кислого до ультраосновного состава включительно. Выделены две группы пород, которые условно можно назвать "мантийными" ( \/р ^ 7,8 км/с) и "коровыми"

( \Ур ^ 7,2 км/с). Эти группы "резко отличаются друг от друга по физическим свойствам, причем различие между средними значениями скоростей распространения продольных волн составляет 0,71,3 км/с; плотности ~ 0,3-0,6 г/см3. Дифференциация пород По указанным характеристикам внутри каждой из отмеченных групп ^ . -менее контрастна. При этом порода "коровой" группы наиболее заметно различаются по значениям скоростей продольных волн, а • "мантийные" - по скоростям поперечных.

24

. По данным расчетов скоростей распространения продольных и поперечных волн выполнен анализ зависимости их от химического состава силикатных горных пород и получены корреляционные формулы, позволяющие по кинематическим характеристикам исследуемой среды определять эффективное содержание в ней Од. , М^О , ГеО' , и др., что может быть использовано при петро-

логической интерпретации сейсмических материалов.

- Исслэдована зависимость плотности горных пород от скоростей распространения продольных и поперечных воля. Отмечена существующая мажду ними закономерная связь, выражающаяся в том, что увеличению плотности при постоянной скорости продольных волн соответствует уменьшение скорости' распространения поперечных колебаний. Построены номограммы и получены корреляционные формулы, позволяющие определять плотность по значениям скоростей Р-и Б- волн с точностью в 1,5-2 раза более высокой,чем по каждой из указанных характеристик в отдельности.

На основа расчетных и экспериментальных данных рассмотрена зависимость упругих свойств горных пород от пористости и построена номограмма, позволяющая осуществлять оценку значения ее по сейсмическому параметру К/_р и отношению скоростей продольных и поперечных воля, т.е. путем совместного использования их.

4. По опубликованным данным о скоростях продольных волн в а а мы ой коре Урала с учетом вероятных значений существующих в ней давлений и температур рассчитаны плотности упаковки атомов слагающих ее горных пород. Показано, что срэди пород, устойчивых в термодинамических условиях земной коры, ниже слоя, рассматриваемого в качества кристаллического фундамента, близкими к расчетным значениями плотности упаковки атомов характеризуются образования основного состава в амфаболитовой фации метаморфизма (амфиболиты, аыфиболитизироваяные базальтоида). Отдельные маломощные слои и линзы по кинематическим характеристикам соответствуют в различной степени серпоятинизированным гиларбазитам.

Основным ограничением применимости петрологической модели средней части замной коры, включающей амфиболиты и серпентиниты, является необходимость высокого парциального давления водя-• ного пара.

В амфиболитах и близких к ним по составу горных породах в Р-Т условиях, соответствующих переходной зоне (К-М), появляется

25

гранат, с чем, вароятно, связана бодав высокая, чем в кора, плотность упаковки атомов. Рост еа с увеличением глубины нижа поверхности этой зоны может быть объяснен усилением метаморфизма пород (от альмандин-амфиболовой фации вблизи верхней границы до гранулйтовой и эклогитовой - у нижнай).

Построение петрологической модели верхней мантии основано на данных о скоростях распространения в ней продольных и попе-рачнах волн. Показано, что-значениям отмачанных'кинематических характеристик в Зауралье и звгэосинклинальной зоне Урала соответствуют дуниты (под Тагильско-Магнитогорским прогибом,возможно, содержащие Н2О, СО2 и др. "летучие" компоненты), а в Срэднам Приуральа и примыкающей к наму части Восточно-Европейской платформы - эклогита или ультраосновные порода, содержащие около 30-40$ шпинели пли пиропа. Мощность толщи рассматриваемых пород составляет 5-10 км, причем эклогиты и шпинелавыа перидотиты, возможно, образуют отдельные линзообразные тела. По значениям скоростей распространения продольных волн подстилающие их образования мантий соответствуют дунитам, дунит-гарцбургитам.гарц-бургитам я пиролитам, яричам, судя по данным о скоростях поперечных волн и низкому тепловому потоку, болаа вероятным являат-зя допущение о дунит-гарцбургитовом или гарцбургитовом состава, верхней мантии.

Патрологичаская модель верхней части замной коры по скоростям продольных и поперечных волн построена для осевой зоны Тагильского прогиба на Среднем Урала. Определены эффективное ;одаржаниа кремнезема и плотность горных пород в.эффузивно-оса-ючном комплекса и подстилающих его образованиях. Последние юдразделяются на два толщи мощностью ~ 4 юл каждая, из кото-ш верхняя отождествляется с амфиболитами (амфиболитизирован-ими базальтоидами), а нижняя - с гранито-гнейсами, аналогичны-[И породам кристалличаского фундамента Русской платформы.

5. На основа анализа совокупности геологических и гасфизи-аских данных о строении основных структурных элементов Урала и «следования на-моделях, имитирующих эти структуры, распредала-яя упругих напряжений показано, что формирование их и,в частости, образованна поднятий и прогибов (погружений) происходило следствие обусловленных горизонтальным'сжатием изгибннх да-'

формаций земной коры и движений блоков по ранее существовавшим

вновь формировавшимся разломам. Для объяснения некоторых существенных особенностей строения Тагильского прогиба оказалось ' необходимым принять предположение о том,что в процессе "вдавливания" блока коры в область высоких температур в нем за счет частичного плавления горных пород сформировался магматический очаг. С концентрацией скалывающих напряжений в приочаговой области при горизонтальном сжатии коры, по-видимому, связано возникновение зон дробления, в которые выжимались расшав и пластичный материал, образовавшие интрузивные массивы Платиноносного и Серовско-Маукского поясов. В земной коре ниже магматического очага должны были возникнуть разломы, веерообразно расходящиеся ' книзу. По этим разломам происходило опускание расположенного между ниш блока горных пород, что находит отражение в соответствующем погружении поверхности Мохоровичича. Практически неизменное положение поверхности К-М и совпадение ее с границей перехода пород основного состава в альмандин-амфиболитовую (возможно, г ранулотовую) фацию метаморфизма свидетельствует о ее фазовой природе.

Проанализированы геолого-геофизические данные о строении мезозойских тектонических депрессий (грабенов) и исследован механизм их формирования. Показано, что они подобно палеозойским прогибам (погружениям) образовались в условиях горизонтального сжатия земной коры.

Рассмотрены особенности строения Урала на площади, примыкающей к Уфимскому выступу Восточно-Европейской платформы и на моделях, имитирующих влияние ого на характер напряженного состояния зешшй коры в условиях широтного сжатия, показано,что наблюдаемые изменения поперечных размеров и простирания границ некоторых структурно-фюрмацяонных зон и мощности слагающих их комплексов горных пород обусловлены концентрацией широтных сжимающих и скалывающих напряжений, способствовавши преимущественному развитию сдвиговых нарушений и распространяющихся на небольшую глубину надвигов. Динамическое влияние Уфимского выступа отмечено в особенностях новейшей тектоники, а тшшз голоца-новах к современных дш¡лезши земной коры.

Инструментальными исследованиями напряженного состояния горных-пород в подземных выработках установлено,что существующие в земной коре Урала горизонтальные сжимающие напряжению в несколько раз 'превышают теоретическую величину их, рассчитанную без учета влияния тектонических сил. Отмечена концентрация шн- • ротных сжимающих и скалывающих напряжений в.пунктах измерений, расположенных к востоку от Уфимского выступа. Таким образом, влияние его проявлялось на различных этапах развития Урала до настоящего времени включительно.

7. Выполнен статистический анализ распределяю* линаамен-тов в зависимости от ях простирания. Установлено, что в пределах уральского региона вся совокупность их подразделяется на 8 групп, модальные значения азимутов в которых соответственно равны 0 , 25 , 47 , 68 , 90 , 335 , 317 К 294°.

В соответствии с данными тэктояофизического моделирования . и о учетом известных соотношений прочности горных пород показано,что группы линеаментов с азимутом 25 и 335° формировались в уоловиях преобладающего меридионального сжатия, а группы с азимутом 68 и 294° - широтного сжатия земной коры. Группы линза- , ментов с азимутом 47 и 317° могли формироваться в обоих случаях, но на несколько больших глубинах. С направлением линеаментов последних групп примерно совпадают простирания "диагональных" по отношению к Уралу поЛсов концентрации полезных ископаемых, выделенных «а основа анализа размещения извастннх месторождений. Отмечено, что данные пояса представляют собой линейные . зоны гетерогенной нарушенное!и литосферы, в которых благоприятно сочетаются области повышенной раздробленности с экранирующими непроницаемыми толщами пород.

Поясовое размещение месторождений может одужить одной кз основ для построения мелкомасштабных прогнозных карт, а отмочан-нне в работа благоприятные условия локализации полезных ископаемых - для выработки дополнительных критериев их поиска,.в част- ' ности геофизическими методами. • •

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы изложены в следующих публикациях: Монографии:

I. _ Гранитный слой Урала/ А.Л. Алейников. 0. В. Белла вив .Г. А _ Кейльман, Н.И.Халавия. - Свердловск, IS83. - 30 с. (Препринт/

УШАН СССР).

• - 28

2. Алейников А.Л., Немзоров Н.И..Халевин Н.И. Многоволновая сайомика при изучении недр рудных районов. - М.:Наука, 1986. -III с.

Статьи:

3. Алейников А.Л., Беллавин О.В., Таврин И.Ф. К вопросу о тектоническом развитии Урала // Строение земной коры Урала. -Свердловск: УФ АН СССР, 1967. - С.31-38.

4. Алейников А.Л., Беллавин О.В. О связи плотности упаковки атомов в горных породах со скоростью продольных волн//Глубин-яое строение Урала. - М.:Наука, 1968. - С.350-352.

5. Явление выдавливания гранитных массивов на Урале/

A.Л.Алейников, В.П.Трифонов, Н.П.Влох, О.В.Беллавин// Докл. АН СССР, 1968, т.179, № I. - С.169-170.

6. Неотектоника Урала и ее соотношение с геофизическими аномалиями / В.П.Трифонов, Н.П.Влох, А.Л,Алейников и др. // Геотектоника.-1969.-№ 6. - С.100-103. . . .

7. Алейников А.Л., Баранов Б.В., Беллавин О.В., Сзяжина И.А. Результаты изучения физических свойств израндита //Геология и полезные ископаемые Урала, ч.1. Мат. ко П Уральской конф.молодах геологов и геофизиков. - Свердловск, 1969. - С.195-196.

8.Алейников А.Л., Баранов Б.В., Беллавин О.В. Физические свойства плагиогранитов Кочкарского месторождения при различных давлениях.//Геология и полезные ископаемые Урала, ч.1. Мат. ко . П Уральской конф.молодах геологов и геофизиков. - Свердловск, 1969. - С.236-237.

9. Алейников А.Л..Беллавин О.В., Овчинникова Л.Н. Главное поперечное поднятие древних толщ на Среднем Урала по геофизическим данным //, Стратиграфия и литология палеозоя и докембрия Урала: Сб. по вопросам стратиграфии, й 14. - Свердловск:

УНЦ АН СССР, 1970. - С.53-61.

10. О возможной природа неотактоничаских движений на Урале /

B.П.Трифонов, А.Л.Алейников, О.В.Беллавин и др.//Вопросы геологии я гидрогеологии Урала; Тр.СГИ, вып.63.-Свардловск:СГИ им. В.В.Вахрушева , 1969. - С.34-41.

11, Алейников А.Л. .Зубков A.B.,Халевин Н.И. О возможной связи анизотропии скоростей упругих воля и напряженного состояния 881Ш0Й коры //Докл. АН СССР, 1971, T.I97.J* I.- С.78-80.

12. Алейников А.Л., Бзллавин О.Б., Трифонов В.П. Отражение особенностей глубинного строения в характера современных движений Урала //Современные движения земной коры :Тэзиса докл.-Тал-лян, 1972. - С.5-6.

13. Некоторые чэрты неотектоники восточного обрамлзния Урала/.Трифонов В.П., Алейников А.Л.., Баллави.ч О.В., Овчинникова Л.И. // Материалы по геоморфологии я новейшей тектоника Урала и Поволжья .-Уфа: Баш .ФАН'СССР, 1972. - С. 77-81.

14. О вероятном состава верхней мантии на Урале /А.Л.Алейников, В.А.Бугайло, И.А.Ыалахов, Н.И.Халевин // Соватская гао-логил.-1973.-й 9. - С. 12-23.

15. Алейников А.Л., Халавин Н.И. К вопросу о поисках магне-титовых руд сайсморазвадкой. //Гаология и геофизика.-1974.-„'5 2. - С.118-120.

16. Некоторые особенности геодинамики Среднего Урала / А.Л.Алейников, В.А.Бугайло, В.С.Ломакин и др. // Докл.АН СССР, сер. геол., 1974, т.214, № 6. - С.1387-1390.

17. Алейников А.Л., Бугаило В.А., Халавин Н.И. Плотность упаковки атомов и накоторе физические свойства пород и минералов в условиях высоких давлений и температур //^изичаскиа свойства горных пород при высоких давлениях и температурах: . Материала 1У Всесоюзного совещания .-Тбилиси, 1974. - С. 16-19.

18. Алейников А.Л., Беллавин О.В., Халавин Й.И. О повышэ-нии достоварности петрологической интерпретации сейсмических данных путем использования параметра, характеризующего плотность упаковки атомов // Магматический и метаморфические комплексы Казахстана .-Алма-Ата :Нау.ка, АН КазССР,1974. -С.325-326.

19. Закономерности размещения линаамэнтов на Урала и в сопредельных районах /А.Л'.Алайняков, О.В.Беллавин, С.И.Стрельников, Н.И.Халевин // ШОИП, отд.гаол., 1982,т.57,вып.3. -

С.25-39.

20. Геофизические исследования геодинаммеских условий 'развития замной коры на примера Урала / А.Л.Алейников,О.В.Бал-лавин, А.В.Зубков, Н.И.Халевин // Строение и развитие ' земной коры и рудных полай Урала по' геофизическим данным. - Свард- • ловск: УЩ АН СССР, 1576. - С.83-87.

21. Некоторые вопросы изучения геодинамики замной коры Урала/ А.Л.Алейников, О.В.Беллавия, А.В.Вугайло и др.//Строение и развитие структур земной коры и рудных полей Урала го геофизическим данным.-Свердловск: УНЦ АН ССОР,1976. - С.88-90.

22. Алзйягаов А.Л..Баллавин О.В. Отражение строения интрузивных массивов в рельефе Среднего и Южного Урала //Гешорфоло-гия.-1976.-Я? 2. - С.56-61.

23. О выделении рудоперспективных участков земной коры по аномалиям коэффициента Пуассона /А.Л.Алейников, А.В.Зубков, . Н.И.Немзоров, Н.И.Халевян// Земная кора и верхи мантии Урала. -Свердловск: УНЦ АН СССР, 1976. - С.32-35.

24. Алейников А.Л., Тиунова A.M., Халевин Н.И. Особенности связи плотности и скоростей продольных и поперечных воля в . горных породах // Геология и геофизика.-1982.-й 8. - С.134-140.

25. Геодинамика Урала по данным натурных и модельных исследований/ А.Л.Алейников, В.Ф.Боровков, A.B.Зубков, Н.И.Халевин //Геология и геофизика.-1977.-й 2. - C.I56-I59.

26. Современное поло напряжений Урала и его сзязь с текто-. никой /А.Л.Алайняков, Н.П.Влох, А.В.Зубков и др.//Отражение современных полей напряжений и свойств пород в состоянии скальных ' массивов. - Апатиты:АН СССР, 1977. - С.77-78.

27. Гаоморфолого-геофизиче ские полигоны как средство изучения геодинамики и требования .к таким полигонам на Урале / А.Л.Алейников, О.В.Баллавин, А.А.Кузнецов и др. // Создание и перспективы развития гаолого-гаофпзячаскюс полигонов на территории северо-запада РСФСР: Тезисы докл.-Л., 1977. - С. 72-74.

28. Современнныа и новайшиа движения и их связь с особенностями глубинного строения Урала //В.П.Трифонов, А.Л.Алейников, О.В.Беллавия, Н.И.Хаяавин // Со ара манные двяжаняя земной коры. Тезисы докл. УП Всесоюзного совещания по изучению современных, движений земной кори., Львов, май, 1977. - М.,1977. - С.94-95. .

29. О возможной связи мадноколчаданных месторождений Урала с аномальными зонами коэффициента Цуассона /А.Л.Алайняков, К.А.Воинов, Н.И.Немзоров,-В.М.Степанов // Упругие волны пром-взрывов и исследование земной коры Урала, - Свердловск:

УШ АН СССР, 1978.-О. 44-50.

.30. Алейников А.Д.,Ееллавин О.В., Халевин Н.И..Система линеаментов и особенности размещения месторождений полезных ископаемых в Уральском регионе //-Упругие волны промвзрывов и исследование земной кори Урала. - Свердловск: УВД АН СССР, 1978 -С.30-36.

31. Скорость упругих волн в бокситах Урала /А.Л.Алейников, П.П.Личман, Н.И.Немзоров, Н.И.Халевяя // Геология и геофизика .1978г ^ 3. - С.149-152.

32. Построение петрофизической модели земной коры (на примере Урала) /А.Л.Алейников, Н.И.Немзоров, Г.Б.Ферштатар' ,Н.И. Халевин //Советская геология1978.- № 8. - С. 137-141.

33. Некоторые закономерности размещения полезных ископаемых Урала и его обрамления /А.Л.Алейников, О.В.Ееллавин,

С.И.Стрельников, Н. И.Хала вин // Состояние и перспективы минерально-сырьевой базы Урала. - Свердловск: УВД АН СССР, 1978. -С.39-40.

34. Диагональные структурные элементы' Урала и их проявление в физических полях /А.Л.Алейников, О.В.Беллаэия, В.А.Бугайло н др.// Физические поля на мадяоколчеданяых и железорудных месторождениях Урала. - Свердловск: УВД АН.СССР, 1978. - С.126-128.

35. Алейников А.Л., Голод С.Н., Намзоров Н.И. Совместная интерпретация сейсмогравитационных данных //Тезисы Всесоюзного совещания по разработке и комллексированию геофизических методов при детальной и эксплуатационной разведке рудных месторождений. -Ереван: АН Арм. ССР, 1982. -С. 90-91.

36. Халевин Н.И..Алейников А.Л.,Немзо£ов Н.И. Сейсмическая модель осевой части Урала. //Структура земной коры Центральной

и Восточной Европы по данным геофизических исследований. - Киев: Наукова думка, 1980. - С.3-12.

37. Совместное использование продольных и поперечных волн от промышленных взрывов /Н.И.Халавия, А.Л.Алейников,В.В.Колмогорова и др. //Геология и геофизика.-1980.4. - С.87-96.'

38. Некоторые особенности регионального поля упругих напряжений земной норы Урала /Н.П.Влох, А.Л.Алейников. А.В.Зубков, Я.'И.Липин // Горное .давление.методы управления и контроля^Фрунзе: ИЛШ, 1979- С.60-70.

39. Косшческие съемки - новый путь прогнозирования £аз-ыещания полезных ископаемых / А.Е.Алейников, О.В.Баллавин, С.И.Стрельников, Н.И.Халевяя // Проблемы развития производительных сил Урала на перспективу до 1990-2000 гг.5 Материалы Всесоюзной конференции. - М., 1980.- - С.219-220.

40. Геофизическая модель осевой структуры Среднего Урала / Н.И.Халевин, А.Л.Алейников, В.В.Колмогорова и др. // Сейсмические исследования земной коры и рудопарспективных структур Урала. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1580. - С.3-12.

41. Рациональный комплекс геофизических методов при виде- . двяии рудопарспективных зон на Урала / АД.Аяайников, Н.И.Намзо-ров, Н.И.Халевин, А.М.Тиуяова // Тезиса Всесоюзного совещания по разработка и комплаксярованкю геофизических матодов при детальной и эксплуатационной разведке рудных месторождений . -Ереван: АН Арм.ССР, 1982. - С.193-195.

42. Алейников А.Я., Немзоров Н.И., Халевин Н.И. Роль поперечных волн в повышении эффективности рудной сейсморазведки // Сейсморазведка при поисках месторождений цветных металлов на Урале. - М.:Мингао РСФСР, 1981. - С.46-56.

43. Алейников АД., Халавия Н.И. Физические свойства горных пород в условиях высоких давлений и температур и механизм фор -ыировашвд свйсмофокальных зон // Физические свойства горных пород при высоких давлениях и температурах для задач сейсмологии. -, Ташкент: ФАН, 1981. - С.34-35.

44. Алейников АД., Баранов Б.В., Баллавин О.В. Результаты изучения физических свойств древнейших пород Урала // Физические свойства горных пород яря высоких давлениях и температурах для задач сейсмологии. - Ташкант: ФАН, 1981. - С.89-90.

45. Некоторые особенности строения Серовско-Маукского глубинного разлома /АД.Алейников, О.В.Беллавин, В.С.Морозова я др. // Земная кора и структура рудных полай Урала по геофизическим данным. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1981. - С.32-38.

46. Метод изучения земной коры рефрагированшшг Р-и 3 -волнами /АД.Алейников, С.Н.Голод, А.М.Тиуяова, Н.И. Хала вин // Геология и гаофязика.-1982.-й 3. - С.120-127. '

47. Наруоеннооть земной кори по данным.съемок из космоса

я связь с ней полезных ископаемых (на примере Урала) /АДДлейни-

ков, О.В.Баллавия, Б.П.Дьяконов и др. // Геофизический журнал, 1983, т.5, № 3. - С.45-52.

48. Алейников А.Л., Беликов В.Т. Роль зон повышенной проницаемости в развитии земной кора // Геология и геофизика.-1984, -№ 4. - С.70-78.

- 49. Связь между пористостью и упругими- свойствами горных . пород /А.Л.Алейников, Н.И.Намзоров, В.В.Сон, Н.И.Халввин //Геология и геофизика ,-1984г№'5. - С.72-75.

- 50. Алейншсов А.Л,, Халевян Н.И. Динамические условия образования разломов осевой зоны Урвла // Разломы земной коры Урала и метода их изучения. - Свердловск: УНЦ АН CCCF,I983.

- С.30-38.

51. Проницаемость зон разломов в условиях горизонтального сжатия земной коры / А.Л.Алейников, О.В.Беллавия, A.B.Зубков,. Н.И.Халввин // Разломы земной коры Урала и методы их изучения.-Свердловск: УНЦ АН СССР, 1983. - С.39-43. .

52. Горизонтальные напряжения и тактоганаз Урала/А.Л,Алейников, О.В.Беллавин, Ю.П.Булашавич и др. // ХХУП Международный геологический конгресс: Тазисы докл., секция 06-07,1984. -

С.98-99.

53. Глубинная структура Урала и ее связь с планатарными аномалиями/ А.Л.Алейншюв, О.В.Баллавия, Б.П.Дьяконов и др.// ХХУП Международный геологический конгресс; Тдзисы докл. ,сакцня 06-07, 1984. - C.II-I2.

54. Применения многоволновой сейсморазведки в района Среднего Урала /Н.И.Халввин, А.Л.Алейников, В.В.Колмогорова и др.// Геология и гаофязика1985.-№. II. - С.78-85.

55. О совместном пришнания продольных и поперечных волн при глубинном сайсмичзском зондировании /Н.И.Халавин, А.Л.Алай- ' ников, Е.Н.Колупаава и др.//Геология и гэофизикаг1986.~№ 10.

- 0.94-99.

56. Голод С.Н., Алейников А.Л. Ксмплексированиа сейсмо- И электрометрии при изучении физических свойств и состояния массивов скальных пород // Применений геофизичаских методов для изучения скальных оснований: Тр.Гпдропроакта, вып. 114. - М.. -C.I4I-I47.

57» Probable composition of upper mantle in Ural / A.L.Aleynikov, V.A.Buggaylo, N.I.Khalevin, I. A. Jialakhov // Int.Geol.Rew., 1974, v.16, H 11.- p.1232-1241.

50. Geodynamics of the Urals / Ju.P.Bulaachevitch, A.L.Aleynikov, 0 O.V.Bellavin at all // Tecktonophysica, Amsterdam, 1976, H 35.- p.15-26.

59. Secular variation Anomalies and Aseismic Geodynamics in

the Urals / V.A.Shapiro, A.L.Aleynikov, A.A.Nulman at all // Geomagnetism and Geoelectrisity, Tokyo, 1976, 7.30, H 5.~ p.493-503.

60. Dynamics of the Russian and West Sibirian platforms / A.L.Aleynikov, O.V.Bellavin, Ju.P.Bulaschevitch at all // Dynamics of Plate Interiors. Geodynamics series, AGU, Washington D.C., Geological Society of America, 1980, v.1.-p.53-71.

Подписано а печ. 16. Of 1 9 S 9 Г бО « g 4 'A* НС fVOO 7 Объем 2,0 Тир. «30 Зак. Ja

Свердловск, К-83, пр. Ленина, 5]. Тилолаборатория УрГУ.