Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Сейсмическая структура земной коры и проявления кимберлитового магматизма в Западной Якутии

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Сейсмическая структура земной коры и проявления кимберлитового магматизма в Западной Якутии"

На правах рукописи

МЕЛЬНИК Елена Александровна

СЕЙСМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЗЕМНОЙ КОРЫ И ПРОЯВЛЕНИЯ КИМБЕРЛИТОВОГО МАГМАТИЗМА В ЗАПАДНОЙ ЯКУТИИ

25.00.10-геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

НОВОСИБИРСК 2006

Работа выполнена в Институте геофизики Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Суворов Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Селезнев Виктор Сергеевич

кандидат геолого-минералогических наук Сальников Александр Сергеевич Ведущая организация:

Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН (ИФЗ РАН г. Москва)

Защита состоится 2006 г. в час. на

заседании диссертационного совета Д 003.050.05 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии им. A.A. Трофимука СО РАН, в конференц-зале.

Адрес: пр-т Ак. Коппога, 3, Новосибирск, 630090 Факс: (383) 333-27-92

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГТиМ СО РАН

Автореферат разослан 4февраля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук

Ю.А. Дашевский

№

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования - земная кора Якутской алмазоносной провинции, на предмет обнаружения структурно-вещественных неоднородностей, как одних из критериев, определяющих закономерности размещения кимберлитовых полей.

Актуальность исследования

Обнаружение глубинных структур, сопутствующих проявлениям кимберлитового магматизма, остается в значительной степени дискуссионным. Предложен ряд геолого-геофизических моделей литосферы Якутской кимберлитовой провинции, описывающих связь структур коры с кимберлитовым магматизмом. Вместе с тем их использование для локального прогноза размещения кимберлитовых полей не имело успеха. Применение глубинных геофизических методов для этих целей также пока нельзя считать успешным.

Малые размеры кимберлитовых полей (30-50 км в поперечнике) усложняют решение проблемы их поиска, так как требуют особо детальных исследований. Применение для этого гравимагнитных, электромагнитных, сейсморазведочных данных и детальных геологических съемок не привело к однозначным результатам, по всей видимости, из-за малой глубинности исследований, ограниченных, как правило, осадочным чехлом, а при региональных (глубинных) построениях - из-за недостаточной разрешающей способности геофизических методов.

Таким образом, актуальность исследования определяется необходимостью повышения детальности глубинных сейсмических исследований, заключающейся в обработке полученных ранее данных по современным методикам численного моделирования волнового поля.

Цель исследования

По данным глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) и двумерного численного моделирования волнового поля выделить локальные структурно-вещественные неоднородности земной коры в районах кимберлитовых полей Западной Якутии и оценить ее вещественный состав по комплексу сейсмических и гравитационных данных.

Задача исследования

Установить связь особенностей волнового поля с распределением локальных скоростных и плотностных параметров земной коры, проявляющихся в районах кимберлитовых полей.

Поставленная задача решена в несколько этапов:

1 РОС. НАЦИОНАЛЬНА« (

БИБЛИОТЕКА I С.Петербург ШП 09 Ж^кг! !

1. Составление уточненных сейсмических моделей земной коры по трем профилям ГСЗ пересекающим Мало-Ботуобинский и Далдьшо-Алакитский кимберлитовые районы на основе численного двумерного моделирования кинематики волн;

2. Определение закономерностей в изменениях скорости продольных и поперечных волн, плотности, упругих модулей и коэффициента Пуассона в земной коре;

3. Оценка вещественного состава коры по сопоставлению сейсмоплотностных характеристик с данными лабораторных измерений на образцах горных пород. 1

Фактический материал, методы исследования Использован экспериментальный материал ГСЗ (около 13000 сейсмических трасс, хранившихся в аналоговой форме на магнитных носителях), полученный коллективом организаций: Якутским институтом геологических наук ЯФ СО АН СССР, Ботуобинской геологоразведочной экспедицией Якутского геологического управлений МинГео СССР, Новосибирской опытно-методической вибросейсмической экспедицией (НОМВЭ СО РАН СССР) и Объединенным институтом геологии, геофизики и минералогии (ОИГТиМ СО РАН СССР) в период 1981-1986 гг.

Теоретической основой решения задачи являются метод дискретной корреляции опорных волн (Пузырев и др., 1978) и лучевая теория распространения сейсмических волн в неоднородной изотропной среде.

В работе использованы:

- времена вступлений опорных Р- и S-волн;

- результаты численного моделирования;

- результаты гравитационного моделирования, согласованного с сейсмическими разрезами;

- лабораторные измерения скоростей и плотности на образцах горных пород (около 750 определений) при различном всестороннем давлении (Бсаок и др., 1988; Christencen, 1996). Основной метод исследования - численное решение прямой

кинематической задачи сейсмики в двумерно-неоднородной среде (Öerveny et al., 1977), реализованное в программе Ray 84РС, составленной в Геологическом институте Копенгагенского университета (Н. Thybo и J. Lauetgert). Достоверность теоретических расчетов подтверждается малым различием между наблюденными и теоретическими временами пробега волн и объемом использованных

данных (около 6000 времен вступлений опорных волн, по материалам, полученным в 1981, 1983 гг. в Мало-Ботуобинском и 1986 г. в Далдыно-Алакитском районах).

Достоверность сейсмических разрезов подтверждается результатами гравитационного моделирования при соотношении скорость-плотность близком к данным по другим платформенным областям.

Защищаемые научные результаты:

1. В слоях консолидированной коры Якутской кимберлитовой провинции нарастание скорости с глубиной не превышает 1-2%. Это обуславливает скачки скорости на сейсмических границах до 3-7%, необходимые для согласования со значением скорости во всей толще коры, определяемой по данным отраженной волны от Мохо.

2. В земной коре районов кимберлитовых полей выделены локальные скоростные неоднородности, распределенные по глубине вплоть до раздела Мохо. Они рассматриваются в качестве сейсмических критериев для прогнозирования участков поиска кимберлитов.

3. Использование данных о распределении скорости продольных волн, коэффициента Пуассона и плотности (по гравитационным данным) значительно сужает неоднозначность оценки вещественного состава земной коры и указывает на отсутствие в ней значительных объемов мафических гранатовых гранулигов.

Научная новизна. Личный вклад: 1. Проведена интерпретация составленных скоростных двумерных моделей земной коры и оценена их достоверность, на основе анализа волновой картины, выбора модели первого приближения и использрвания результатов численного моделирования. в сейсмогеологических условиях Якутской кимберлитовой провинции:

- оцифрованы сейсмограммы по профилям ГСЗ в Мало-Ботуобинском (р. Олгуйдах - г. Мирный - г. Ленек, 1981 г.; п. Тас-Юрях - п. Алмазный - п. Малыкай, 1983 г.) и в Далдыно-Алакитском (р. Моркока - г. Полярный - р. Муна, 1986 г.) районах. Составлен банк данных цифровых сейсмо1рамм, который визуализирован монтажами одноканальных трасс;

- сопоставлением наблюденных данных и результатов численного моделирования особенностей волнового поля выделен ряд локальных скоростных аномалий в земной коре районов кимберлитовых полей; различие между наблюденными и

теоретическими временами пробега волн не превышает для продольных волн 0,08 с, для поперечных 0,2 с;

- построены сейсмические модели земной коры для двух кимберлитовых районов, представленные слоисто-блоковыми структурами с малым нарастанием скорости с глубиной в пределах слоев и заметными перепадами скорости на сейсмических границах;

- в районах кимберлитовых полей выделены локальные (с поперечным размером 30-60 км) аномалии пониженной скорости в верхах и повышенной в низах коры.

2. Установлена региональная линейная корреляция скорости продольных волн и плотности по материалам гравитационного моделирования сейсмического разреза (моделирование выполнено A.B. Манаковым). При практически постоянном коэффициенте Пуассона, изменения модулей сжатия и сдвига в земной коре более контрастны, чем скорости и плотность.

3. Установлено отсутствие в коре значительных объемов пород высокой степени метаморфизма, относящихся к мафическим гранатовым гранулитам. Наиболее представительными для всей коры региона могут быть породы близкие к гранат-дистеновому гранулиту.

Практическое значение

Обнаруженные в земной коре кимберлитовых районов локальные аномалии скорости могут быть использованы при прогнозе участков, перспективных на поиск проявлений кимберлитового магматизма в Западной Якутии.

Сейсмические параметры земной коры наиболее стабильной части Сибирской платформы могут использоваться для сравнения с данными, полученными в сейсмоактивных областях, с целью выделения и изучения характеристик, связанных с современными геодинамическими процессами.

Предложенная схема интерпретации данных ГСЗ дает возможность получения дополнительной, более детальной информации без значительных материальных затрат, кроме того, оцифрованные данные важны для проведения последующих сейсмических исследований.

Публикации и апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались: на научно-практической конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 1999 г.), на

международном симпозиуме «Deep seismic profiling of the continents and their Margins» (Ульвик, Норвегия, 2000 г.), на международной геофизической конференции «Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий» (Новосибирск, 2000 г.), на геофизической конференции «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001 г.), на конференции посвященной 90-летаю со дня рождения академика АЛ. Яншина «Фундаментальные проблемы геологии и тектоники Северной Евразии», на конференции «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001 г.), на международной конференции «Проблемы сейсмологии Ill-го тысячелетия» (Новосибирск, 2003 г.), на международном совещании «AGU 2002 Fall Meeting Moscone» (Сан-Франциско, Калифорния, 2003 г.), на совещании (Алмазы-50) «Эффективность прогнозирования и поисков месторождений алмазов: прошлое, настоящее и будущее» (Санкт-Петербург, 2004 г.), на международной научной конференции посвященной 90-летию со дня рождения академика Н.Н. Пузырева «Сейсмические исследования земной коры» (Новосибирск, 2004 г.), на международном симпозиуме, посвященном 70-летию академика Н.В. Соболева «Эволюция континентальной литосферы, происхождение алмазов и их месторождений» (Новосибирск, 2005 г.).

По теме диссертации опубликовано 12 работ, из которых 2 статьи в рецензируемых журналах, 7 - материалы российских и международных конференций, симпозиумов, совещаний, 3 - тезисы в трудах российских конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения с общим объемом Ц8 страниц, содержит 43 рисунка. Список литературы включает 84 наименования.

Диссертация выполнена в Лаборатории глубинных сейсмических исследований и региональной сейсмичности Инстшута геофизики СО РАН.

Благодарности

За участие в формировании научных взглядов, руководство в проведении исследовательской работы, всестороннюю поддержку и постоянное внимание автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору В. Д. Суворову.

Построение сейсмоплотностных моделей было бы вряд ли возможно без сотрудничества с А.В. Манаковым (ЯНИГП AJIPOCA, г.

Мирный). Автор благодарит сотрудников Геологического института при Копенгагенском университете и Институт Геофизики Польской Академии Наук за консультации, помощь при освоении программ и за сердечный прием в 2001, 2002 и 2003 годах. За поддержку, сотрудничество и обсуждение различных вопросов автор выражает благодарность коллективу Лаборатории глубинных сейсмических исследований и региональной сейсмичности института геофизики СО РАН.

Автор благодарит директора Геофизической службы СО РАН д.г.-м.н B.C. Селезнева за помощь при оформлении данной работы, неформальный подход к тексту диссертации и ряд высказанных ценных замечаний. Также автор выражает искреннюю признательность В.И. Самойловой за методические рекомендации и консультации при подготовке диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность, сформулированы цель и основная задача исследования, защищаемые результаты, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. ГЛУБИННОЕ СТРОЕНИЕ И КИМБЕРЛИТОВЫЙ МАГМАТИЗМ В ЗАПАДНОЙ ЯКУТИИ

Проведен анализ работ, посвященных пространственному размещению кимберлитов, их взаимосвязи с генезисом и эволюцией древних платформ. Основываясь на общих концепциях о механизме образования кимберлитов и анализе данных, полученных по геолого-геофизическим данным преимущественно в Якутской кимберлитовой провинции (ЯКП), рядом авторов были построены модели кимберлигового поля.

Интересным представлением является, так называемая, мантийная модель (Артюшков и др., 1977; Соболев и др., 1977). Согласно ей, очаг зарождается в верхах мантии в условиях алмаз-пироповой фации глубинности, откуда кимберлитовая магма с большой скоростью устремляется к поверхности.

Оригинальная концепция возникновения кимберлиговых расплавов (и алмазов) под кратонамн за счет плавления на глубинах 150-250 км протерозойской (2600-2000 млн. лет) карбонатно-железнорудной формации в зонах палеосубдукции подвижных поясов предложена в работах (flelmstaedt et al., 1984; Сорохтин, 1985) и в

последние годы получила развитие в работах (Розен и др., 2002; Смелое и др., 2003).

По современным и более ранним представлениям, проникновение кимберлитового вещества сквозь земную кору происходило по глубинным разломам, неоднократно оживлявшимся в интервале 400-130 млн. лет от девона до юры включительно (Брахфогелъ, 1984). В связи с этим, усилия многих авторов направлялись на поиск структурно-тектонических критериев локализации кимберлитовых полей (Мокшанцев и др., 1974; Брахфогелъ, 1984; Варламов, 1989; Борис и др., 1992). Наиболее интересной в этом направлении является идея о контроле границ кимберлитового поля рифтоподобными структурами (Дукардт и др., 1996).

В связи с определенными трудностями, вызванными тем, что признаки, выделяемые авторами, часто наблюдаются и за пределами кимберлитовых полей, задача прогнозирования участков поиска кимберлитов разделяется на две части. Одна включает в себя прогнозирование локальных участков поиска кимберлитовых трубок и связана с детальными поисковыми и разведочными работами. Вторая направлена на поиск закономерностей размещения кимберлитовых полей, контролируемых крупными структурами в земной коре и верхах мантии.

Детально с этой точки зрения алмазопоисковые проблемы рассматривались в работах (Милашев и др., 1974; Иванкин и др., 1980; Маракушев, 1982; Олейников и др., 1985\ Гринсон, 1997; Барышев, 1998). Авторы, как приверженцы коровой модели, предполагают наличие в области перехода кора - мантия отдельных линзовидных тел определенного состава, которые в результате различных механизмов (преимущественно эндогенного тепла) начинают со временем подниматься к поверхности по системе трещин.

Существующие модели глубинного образования кимберлитов, несмотря на их различие, сходятся в том, что для проникновения кимберлитов к поверхности необходимы определенные структурно-тектонические условия в земной коре. В этом аспекте методы глубинной геофизики, в том числе и ГСЗ, приобретают роль поисковых.

Одними из первых, структурные критерии были сформулированы по результатам интерпретации средне и мелкомасштабных геофизических полей. Так было замечено, что основная масса кимберлитовых полей располагается в пределах наиболее раздробленных зон фундамента, характеризуемых разнополярными

полосовыми Ag и AT аномалиями (Моюианцев и др., 1976; Трофимов, 1980; Духовский и др., 1986; Романов, 1998; Манаков и др., 2000).

Одним из методом высокой детальности изучения коры, является МОВ-ОГТ. В первой работе, посвященной таким результатам по профилю, пересекающему Мирнинское кимберлитовое поле, была выявлена повышенная неоднородность (типа яркого пятна) в верхней части земной коры (Суворов и др., 1992). В последующем обработка данных глубинного OIT выполнялась в модификации рассеянных волн (Караев и др., 1998), показывающей повышенную неоднородность всей толщи коры под кимберлитовыми полями.

Методом MI3 в ЯКП выполнялось, в основном, региональное изучение геоэлектрических характеристик разреза верхней мантии и земной коры (Полторацкая, 2000). По предварительной интерпретации под кимберлитовым полем уверенно выделяется вертикальная мантийно-коровая зона с низкими значениями кажущегося сопротивления до глубин 40-60 км и более. Ее размеры по латерали достигают 50-70 км (Манаков и др., 2000).

Применение метода ГСЗ для поиска глубинных критериев проявлений кимберлитового магматизма проходило в два этапа. На первом этапе выполнялись рекогносцировочные исследования по серии субширотных профилей и отдельным маршрутам других направлений (Мокшанцев и др., 1974; Бабаян и др., 1978; Уаров, 1981).

Более детальное изучение глубинного строения кимберлитовой провинции по профильным и площадным наблюдениям началось в 1980 г. Работы были ориентированы на изучение распределения граничных скоростей на Мохо и кристаллическом фундаменте, рельефа сейсмических границ в консолидированной коре и выявление аномалий волнового поля, соответствующих размерам кимберлиговых полей. (Крылов и др., 1983; Суворов и др., 1983; Суворов и др., 1985).

Для более полной реализации возможностей сейсмического метода при совместном использования волн разных типов поляризации, были выполнены трехкомпонентные записи опорных волн в районе г. Мирный на профильной и площадной сети приемных установок В результате были выделены блоки земной коры с изотропным и анизотропным распределением скоростей (Селезнев и др., 1987).

В результате обобщения данных, полученных в период 1980-92 гг. были выявлены региональные особенности глубинного строения, связанные, по всей видимости, с тектонической активизацией литосферы, синхронной кимберлитовому магматизму, установлено

инверсионное соотношение между поверхностью фундамента вместе с внутрикоровой отражающей границей и поверхностью Мохо. (Суворов и др., 1997; Суворов и др., 1999).

Глава 2. СВОЙСТВА ВОЛНОВОГО НОЛЯ И СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

При сейсмическом изучении консолидированной земной коры и верхов мантии требуется получить сведения о распределении скоростей от ее кровли (поверхность фундамента, залегающая на глубине 2-5 км) до подошвы (граница Мохо на глубине 50-60 км). Это требует регистрации волнового поля в интервале расстояний взрыв-прием от 1015 км до 400-450 км. Такие наблюдения с расстановкой регистрирующих станций "Тайга" через 7-10 км и при взрывном интервале 25-60 км были проведены в 1980-86 гг. по профилям в Мало-Ботуобинском (р. Олгуйдах - г. Мирный - г. Ленек и п. Tac - Юрях - п. Алмазный - п. Малыкай) и в Далдыно-Алакитском районах (р. Моркока -г. Полярный - р. Муна (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения профилей ГСЗ в Мало-Ботуобинском и Даддыно-Алакигском районах. I - профиль р. Олгуйдах - г. Мирный -г. Ленек, П - п. Тас-Юрях - п. Алмазный - п. Малыкай, Ш - р. Моркока -г. Полярный - р. Муна.

Магнитные аналоговые записи были оцифрованы с дискретом 0.008 с и на их основе сформирован банк данных, представленный массивами шестиканальных сейсмограмм (седьмой канал марки

времени) с соответствующим паспортом. Чтобы уменьшить влияние механических повреждений магнитной ленты на сейсмическую запись, и с целью повышения отношения сигнал помеха, производились простые операции вычитания-сложения сейсмических каналов, а также полосовая фильтрация.

На рис. 2 представлен пример монтажа сейсмограмм, характеризующего волновую картину в интервале расстояний от источника 10-231 км. К опорным продольным волнам отнесены: преломленные от поверхности фундамента (Р§) и Мохо (Рп), отраженные от внутрикоровой границы (РсР) и Мохо (РтР).

Pacciumau вуннфиш, км

Рис. 2. Монтаж сейсмограмм (ПВ 2 профиль р. Олгуйдах - г. Мирный -г. Ленек). Скорость редукции 8.7 км/с. тонкими линиями показаны теоретические годографы, рассчитанные для полученного сейсмического разреза Соответствующими индексами отмечены прослеженные волны.

Выделение и корреляция опорных волн, по сравнению с ранее выполненными работами не изменялась, введены только отдельные поправки во времена пробега. Регистрирующаяся в первых вступлениях на удалениях от 20 до 100-110 км волна Pg характеризуется высоким уровнем сигнал/помеха. Кажущаяся скорость волны близка 6,0-6,3 км/с. Отличительной особенностью Мало-Ботуобинского района является присутствие в первых вступлениях на удалениях 110-180 км волны с кажущейся скоростью 6,4-6,5 км/с, отнесенной к преломляющей границе, залегающей в толще фундамента (Pi). На расстояниях свыше 200 км в

первые вступления выходит преломленная волна от Мохо с резко возросшей кажущейся скоростью до 8,1-8,7 км/с.

Наиболее высокая интенсивность характерна для отраженных волн от внутрикоровой границы (РсР), регистрирующейся на расстояниях взрыв-прием 180-370 км и от поверхности Мохо (РтР), наиболее отчетливо прослеживающуюся в области критических и закригических удалений 100-180 км (Рп).

По профилю р. Моркока - г. Полярный - р. Муна. (Далдыно-Алакигский район) помимо продольных волн использованы данные поперечных волн. Найдены волны ЗсБ, БтБ, являющиеся

кинематическими аналогами продольных волн.

Построение сейсмических разрезов Построение скоростных двумерных моделей и оценка их достоверности, обоснованы выбором модели первого приближения и результатами численного моделирования. Для первого приближения использованы ранее построенные разрезы в модели вертикально неоднородной среды (Суворов, 1993). Численным решением прямой кинематической задачи сейсмики в двумерно неоднородной среде по программе Иау84 РС (ТЬуЬо и I Ьаие1§еП) и подбором параметров для этих разрезов, минимизировалось различие между наблюденными и теоретическими временами пробега продольных волн.

В качестве примера обнаружения локальных аномалий скорости приведем результаты моделирования времен пробега преломленных волн Рд и Рь распространяющихся в верхах фундамента вдоль профиля р. Олгуйдах - г. Мирный - г. Ленек (рис. 3). В двумерной среде со сложным рельефом поверхности фундамента и границы I волна Р1 в первых вступлениях регистрируется на 0,2 с раньше, чем реальные времена ее пробега. Размещение аномалии скорости с контрастностью до 0,1-0,2 км/с на глубине 8-12 км приводит в соответствие наблюденные и теоретические годографы со среднеквадратическим расхождением 0,03-0,06 с.

По поперечным волнам, так же как и по продольным, для уточнения модели среды проводилось решение прямой кинематической задачи. В качестве первого приближения был принят разрез по продольным волнам, в котором значения скоростей были уменьшены в 1,73 раза. При этом, вследствие меньшего количества данных и недостаточной надежности определения времен пробега, детальность разреза определялась данными по продольным волнам.

рш>мнм по профквю, км рмогапв по лрофыю, ш

Рис. 3. Примеры годографов и лучевых схем распространения волн в земной коре для ПВ 9. 1, 2- экспериментальные и теоретические времена пробега преломленных волн, а - модель без блока с пониженной скоростью, б -финальная модель, положение низкоскороствого блока затушевано. Скорость редукции 6Д км/с.

В целом среднеквадратическое различие между наблюденными и теоретическими временами пробега волн не превышает для продольных 0,08 с, а для поперечных волн 0,2 с.

Рассчитывались и синтетические сейсмограммы, позволяющие проверить качественное соответствие предлагаемой модели особенностям волновой картины и оценить правильность задания градиентов скорости в слоях. Эта данные показывают удовлетворительное согласие между относительными изменениями амплитуд наблюденных и синтетических данных. В синтетическом волновом поле также отсутствуют ложные волны, которые могли быть обусловлены необоснованным введением в разрез сейсмических аномалий.

Глава 3. СЕЙСМОПЛОТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ ЗЕМНОЙ КОРЫ КИМБЕРЛИТОВЫХ РАЙОНОВ

Сейсмические модели земной коры В результате численного моделирования построены уточненные сейсмические модели земной коры Мало-Ботуобинского и Далдыно-Алакигского районов. Сравнивая модели двух кимберлитовых районов видно, что в Мало-Ботуобинском районе земная кора является трехслойной, тогда как в Далдыно-Алаппском она двухслойная. Здесь

слой со скоростью 6-6,2 км/с отсутствует, что соответствует геологическим данным о поднятии земной коры, связанном с Анабарской антеклизой. Дополнительно обнаружена отчетливая блоковость коры (рис. 4). Выделяются два блока: западный и восточный, разделяемые вертикальной зоной, расположенной под Далдынским кимберлитовым полем.

Рис. 4. Сейсмические разрезы земной коры (а) Мало-Ботуобинского (профиль р. Олгуйдах - г. Мирный - г. Ленек) и (б) флдыно-Алаиггского (профиль р. Моркока - г. Полярный - р. Муна) районов. 1-изолинии скорости в км/с, 2 - сейсмические границы, штриховые по данным площадных наблюдений , 3 - положение пунктов взрыва, 4 - скважины. Горизонтальными стрелками отмечено положение кимберлитовых полей и участей расстановки регистраторов. Затушеваны области наиболее уверенного построения разреза.

Существенным свойством земной коры является слоистость с малым нарастанием скорости с глубиной в пределах каждого из слоев до 0,005-0,008 1/с (в среднем 1-2%). Па границах скорость возрастает значительно больше, от 3% (на границе I) до 7% (на внутрикоровой границе). Резкие скачки скорости на сейсмических границах более характерны для структурных горизонтов, разделяющих

О 100 200 ЗОО 400

Г7*ДИ Г=~1» ГТПз ГГ~|4

стратиграфические или тектонические комплексы интенсивно метаморфизованных первично-осадочных или вулканогенно-осадочных пород. В рассматриваемых случаях, по всей видимости, можно говорить о структурных этажах земной коры, маркируемых подошвой аномалий скорости в верхней коре и кровлей аномалий, расположенных в нижней. Эти уровни расположены на глубине 20-25 км и близки к внутрикоровой отражающей границе, которая и может бьтгь принята за границу раздела структурных этажей коры. Природа границы I и характер сочленения блоков трехслойной и двухслойной коры остаются пока невыясненными. Таким образом, полученные данные имеют принципиальное значение для решения задачи тектонического районирования фундамента рассматриваемой части Сибирской платформы, имеющего, в свою очередь, большое значение для поиска кимберлитоконтролирующих структур.

Помимо региональных особенностей земной коры обнаружены локальные аномалии скорости, распределенные по глубине вплоть до раздела Мохо, которые моясно отнести к типичным для обоих кимберлитовых районов.

В Мало-Ботуобинском районе в фундаменте присутствует аномалия относительно пониженной до 6,2 км/с скорости (амплитудой до 0,2 км/с) (рис. 4). Она располагается в районе Мирнинского кимберлитового поля в виде наклонной низкоскоростной зоны, прослеженной до глубины 20 км. В нижней коре, фиксируется аномалия повышенной до 6,9 км/с скорости (амплитудой до 0,1-0,2 км/с) примерно в 50 км южнее кимберлитового поля.

В Далдыно-Алакитском районе также наблюдаются области с пониженной до 6,2 км/с скоростью (амплитудой до 0,2 км/с), прослеживаемые в земной коре от поверхности фундамента до глубины 18-20 км и область с относительно повышенной до 7,1 км/с скоростью (амплитудой до 0,2-0,4 км/с), которая находится под Далдынским кимберлитовым полем на глубине 20-42 км. Это позволяет предполагать, что они являются характерными признаками районов проявления кимберлитового магматизма.

Изменения плотности в коре

Для изучения распределения упругих модулей и вещественного состава коры наряду со скоростью продольных Vp и поперечных Vs волн необходимо иметь сведения о распределении плотности р с глубиной. Решение такой задачи по гравитационным и сейсмическим данным рассмотрено во многих работах (Birch, 1969; Бурьянов и др.,

1979; Красовский, 1989), где используются регрессионные зависимости р=ИЕ(Ур). В последние годы применялись корреляции, использующие данные о скоростях продольных, поперечных волн и плотности р=$(Ур, У5) (Алейников и др., 1990; Крылов и др., 1993).

В данной работе использованы значения плотности, полученные путем моделирования, согласованные с параметрами сейсмической модели и удовлетворяющие наблюденному гравитационному полю (расчеты выполнялись А. В. Манаковым) при двух начальных условиях:

1. области разреза с равной скоростью имеют примерно одинаковую плотность;

2. с увеличением скорости увеличивается и плотность. Практика показывает, что при надежно построенном

сейсмическом разрезе такая задача решается без особых затруднений. Для крупных блоков земной коры, выделенных по сейсмическим данным в Мало-Ботуобинском и Далдьшо-Алакитском районах осадочный чехол характеризуется плотностью 2,6-2,65 г/см3, в верхней коре плотность изменяется в интервале 2,63-2,76 г/см3, в средней 2,82,86 г/см3 и в нижней 2,94-3,15 г/см3. Плотность верхней мантии оценивается 3,25-3,35 г/см3 в зависимости от скорости на Мохо.

Для подавляющего большинства данных характерна линейная корреляция между скоростью продольных волн и плотностью (близкая к широко известной р=2,7+0,25(Ур-6) (Бурьянов и др., 1979). Существенное отклонение от общей регрессии характерно только для пониженных значений плотности, соответствующих аномалиям пониженной скорости в верхах коры Далдыно-Алакитского и Мало-Ботуобинского районов.

Особенности глубинного распределения упругих характеристик Дня Далдыно-Алакитского района по данным о скорости продольных и поперечных волн рассчитан коэффициент Пуассона. Его величина в коре практически постоянна и равна в среднем 0,25, а вариации в пределах 0,248-0,255 обусловлены локальными аномалиями скорости. При этом аномалий пониженной и повышенной скорости коэффициент Пуассона оказывается относительно пониженным. Изменения модулей сжатия и сдвига в коре более контрастно характеризуют общее изменение с глубиной и обнаруженные аномалии скорости. В целом модуль сжатия в коре увеличивается с глубиной от 60 до 120 ГПа, модуль сдвига от 30 до 80 ГПа. Для аномалий пониженной скорости и плотности модуль сжатия уменьшается на 20%,

модуль сдвига на 12%, а для аномалий повышенной скорости увеличивается на 14 % и 5 % соответственно.

Оценка вещественного состава коры Для оценки вещественного состава земной коры использовано сопоставление распределений скорости продольных волн Ур, коэффициента Пуассона о и плотности р с результатами лабораторных измерений этих параметров. При этом интерес представляют данные, полученные в виде двух зависимостей р(Ур) и а(Ур), где учитывается изменение этих величин с глубиной. В качестве лабораторных измерений использованы данные из сводок (Баюк и др., 1988; СУгт/еисеи, 1996). Лабораторные измерения скорости, плотности и коэффициента Пуассона проведены для образцов различных горных пород при давлениях (200-1000 МПа), которые были приравнены к литостатическому и таким образом приведены к глубине (рис. 5).

Ослиный Верхняя горе Средня* море Нижняя «юра 0-2 ш 2-12 гм 12-25 жм 25 хм и более

Оюросопродпдяыт «ояи. «мЛс

ГТН Год*!2 Год*13 ЕШЛ4

Рис. 5. Соотношение между скоростью продольных волн и плотностью (а), коэффициентом Пуассона по сейсмическим данным (б) и лабораторным измерениям на образцах горных пород. 1 - значения по сейсмическим и гравитационным данным, 2 - определения на образцах горных пород (Баюк и др., 1988), 3 - то же для усредненных значений по группам метаморфических пород (СИп^ензеп, 1996), 4 - обобщенное соотношение скорость-плотность р=2,7-К)>25(Ур-6) (штриховая линия) и по наблюденным данным р=2,76+0,22(Ур-6) (сплошная). Цветом показано условное деление по глубине залегания слоев коры.

Совокупность данных для Далдыно-Алакигского района разделена на три группы: верхняя (2-12 км), средняя (12-25 км) и нижняя (25 км-Мохо) кора.

Видно, что наиболее представительными для коры региона могут быть породы близкие к гранат-дистеновому гранулигу. Неожиданно, что в архейской консолидированной коре отсутствуют значительные объемы пород высокой степени метаморфизма типа мафического гранатового гранулига.

Для нижней коры скорость продольных волн варьируется от 6,75 до 7,1 км/с. Это не согласуется с объемом гранатовых гранулитов ~ 60%, встречающихся в виде ксенолитов в кимберлитах, для которых характерны значительно более высокие скорости (~ 7,4 - 7,7 км/с). Завышенные Р-Т параметры метаморфизма гранулитов также не свойственны нижней коре этого региона (Бузлукова и др., 2004). Такое несоответствие, возможно, указывает на то, что гранатовые гранулиты могут присутствовать в виде линз и прослоек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основное внимание в этой работе уделено обработке материалов профильных наблюдений ГСЗ. Одним из важных моментов являлось выявление дополнительных возможностей современных технологий обработки и интерпретации результатов. Было показано, что решение прямой кинематической задачи в двумерной модели позволяет значительно уточнить параметры сейсмического разреза и выполнить анализ надежности получаемых данных.

Под кимберлитовыми полями в верхней и нижней части коры выделены локальные скоростные неоднородности (с поперечными размерами 50-70 км), приуроченные к вертикальным зонам, протягивающимся через всю толщу коры. Вследствие локальности, эти аномалии могут соответствовать ограниченным телам, возможно, магматической природы с характеристиками, отличающимися от вмещающей среды. Их существование могло обеспечить повышенную проницаемость коры для кимберлитов. Представляет значительный интерес изучить пространственное положение выделенных аномалий, которое может быть получено при обработке данных площадных наблюдений ГСЗ.

Представлен комплекс геофизических данных, включающий определения скорости продольных, поперечных волн и результаты гравитационного моделирования для оценки плотности,

соответствующей сейсмической модели земной коры. Набор этих данных позволяет анализировать особенности распределения коэффициента Пуассона и упругих модулей сжатия и сдвига в коре. Показано, что изменение упругих модулей повторяет закономерности распределения скорости продольных волн, но дает дополнительные сведения о свойствах локальных аномалий. Аномалии пониженной скорости в фундаменте и повышенной в низах коры имеют соответственно и различные плотности, но близкие значения коэффициента Пуассона.

Попытка определения оценки вещественного состава земной коры по комплексу имеющихся данных показывает неоднозначность решения такой задачи. В частности, использовать только величину плотности можно для очень приблизительных оценок вещественного состава крупных блоков земной коры, поскольку одному значению плотности может соответствовать ряд пород с различной скоростью.

Выяснилось, что лабораторные данные из опубликованных сводок, соответствующие сейсмическим и гравитационным наблюдениям, не обладают необходимой полнотой и показывают значительный разброс значений. Возможно, последнее обусловлено тем, что использованы образцы пород из различных регионов, с другими условиями формирования коры, чем в кимберлитовой провинции. По всей видимости, по этой причине существует заметное различие в значениях коэффициента Пуассона по лабораторным измерениям приведенных в сводках данных (Баюк и др., 1988; СМ^епсеп, 1996). Таким образом, трудно оценить надежность полученных выше оценок вещественного состава коры Далдыно-Алакитского района. Для этого требуется анализ геологических и петрологических данных района исследований, что не входило в нашу задачу.

Несмотря на это, определенные ограничения на возможный состав коры получены. Наиболее интересным представляется отсутствие в земной коре архейского кратона значительных объемов пород с высокой степенью метаморфизма типа мафического гранатового гранулига, для которого характерна высокая скорость ~ 7,3 км/с (из расчетов по минералогическому составу до 7,7 км/с при плотности около 3, 15 г/см3).

Более определенную оценку вещественного состава земной коры можно будет получить, если использовать лабораторные и геофизические данные, полученные в пределах одного региона (хотя и при этом нет полной ясности в корректности сопоставления данных для

образцов пород малого размера и натурных наблюдений для крупных массивов). В этом смысле Якутская кимберлитовая провинция, где имеются широкий набор коровых ксенолитов, представляет особый интерес для проведения комплексных геолого-геофизических исследований структуры и вещественного состава коры и мантии.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мельник Е.А. Структура кристаллического фундамента в районе кимберлитового поля по данным двумерного численного моделирования кинематики рефрагированных волн // Доклады XXXVII Международной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 1999. с. 76-84.

2. Suvorov V.D., Mishenkina Z.R., Sheludko I.F., Petrick G.V., Melnik E.A. Uppermost mantle beneath the eastern part of Siberian craton and adjacent fold areas // Материалы международного симпозиума "Deep seismic profiling of the continents and their Margins". Ульвик, Норвегия, 2000. p. 101.

3. Суворов В.Д., Мельник Е.А. Двумерная модель земной коры в районе Даддынского кимберлитового поля // Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий (материалы международной геофизической конференции, 27-29 сентября, 2000 г.). Новосибирск, 2000. с. 245-246.

4. Суворов В. Д., Мельник Е.А. Сейсмическая модель земной коры алмазоносных районов Якутской кимберлитовой провинции // Фундаментальные проблемы геологии и тектоники Северной Евразии (тезисы конференции, посвященной 90-летию академика А.Л.Янпшна, 29-30 марта 2001 г.). Новосибирск, 2001. с. 71-72.

5. Суворов В.Д., Мельник Е.А. Строение земной коры Даддынского и Мало-Ботуобинского кимберлитовых районов по данным двумерного численного моделирования кинематики опорных волн ГСЗ // Проблемы региональной геофизики (материалы геофизической конференции, 5-7 декабря, 2001 г.). Новосибирск, 2001. с. 87-88.

6. V.D. Suvorov, Е.А. Melnik, Н. Thybo, Е. Perchuk, B.S. Parasotka The crust and uppermost mantle beneath Mirniy kimbeiiite field from reinterpretation of DSS data (Yakutia) // Проблемы сейсмологии П1-го тысячелетия (материалы международной конференции 15-19 сентября 2003 г.), Новосибирск, 2003. с. 337-339.

7. V.D. Suvorov, Е.А. Melnik, Н. Thybo, Е. Perchuk, B.S. Parasotka Exceptional High Seismic P-wave Velocity of the Uppermost Mantle around

the Mirnyi Kimberlite in Siberia // AGU 2002 Fall Meeting Moscone Center, 6-10 December 2003, San Francisco, California, 2003. p. 609.

8. Мельник E.A., Суворов В.Д., Манаков A.B. Структура земной коры Мало-Ботуобинского и Даддыно-Алакитского кимберлитовых районов по данным сейсмического и гравитационного моделирования // Эффективность прогнозирования и поисков месторождений алмазов: прошлое, настоящее и будущее (Алмазы-50) (материалы научно-практической конференции, 25-27 мая 2004 г.). Санкт-Петербург, 2004. с. 343-346.

9. Суворов В.Д., Мельник Е.А., Манаков A.B. Структура земной коры Даддыно-Алакитского кимберлитового района по сейсмическим и гравитационным данным // Сейсмические исследования земной коры (материалы конференции, посвященной 90-летию академика Н. Н. Пузырева, 23-25 ноября 2004 г.). Новосибирск, 2004. с. 266-269.

10. Суворов В.Д., Мельник Е.А., Манаков A.B. Сейсмоплотностные модели земной коры Даддыно-Алакитского и Мало-Ботуобинского кимберлитовых районов // Эволюция континентальной литосферы, происхождение алмазов и их месторождений (тезисы международного симпозиума, посвященного 70-летию академика Н.В. Соболева, 3-5 июня 2005г.). Новосибирск, 2005. с.71.

11. Суворов В.Д., Мельник Е.А., Манаков A.B. Глубинное строение Далдыно-Алакигского кимберлитового района по результатам переинтерпретации данных ГСЗ и гравитационного моделирования по профилю р. Моркока - р. Муна (Западная Якутия) // Физика Земли, 2005. №5. с. 35-47.

12. Суворов В.Д, Мельник Е.А., Манаков A.B. Структурно-вещественная модель земной коры Далдыно-Алакитского кимберлитового района по данным Р и S-волн и гравитационного моделирования // Региональная геология и металлогения, 2005. № 26. с. 110-120.

Технический редактор О.М. Вараксина. Подписано к печати 06.02.06

Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме. Офсетная печать. Печ. л. 1,2. Тираж 100. Заказ № 37

НП Академическое издательство "ГЕО" 630090, Новосибирск, пр^г. Акад. Коптюга, 3

AâXP6â_

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Мельник, Елена Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ГЛУБИННОЕ СТРОЕНИЕ И КИМБЕРЛИТОВЫЙ

МАГМАТИЗМ В ЗАПАДНОЙ ЯКУТИИ.

1.1. Геолого-геофизические представления о строении литосферы и проявлениях кимберлитового магматизма.

1.2. Геофизические модели коры и верхов мантии районов кимберлитовых полей.

1.3. Основные направления глубинных сейсмических исследований.

Глава 2. СВОЙСТВА ВОЛНОВОГО ПОЛЯ И СПОСОБЫ

ОБРАБОТКИ ДАННЫХ.

2.1. Системы сейсмических наблюдений.

2.2. Оцифровка сейсмограмм.

2.3. Волновое поле и его особенности.

Волны в первых вступлениях.

Отраженные волны.

Поперечные волны.

2.4. Построение сейсмических разрезов.

Особенности численного решения прямой задачи.

Численное моделирование скоростных неоднородностей в земной коре.

Синтетическое волновое поле.

Глава 3. СЕЙСМОПЛОТНОСТНЫЕ МОДЕЛИ ЗЕМНОЙ КОРЫ

КИМБЕРЛИТОВЫХ РАЙОНОВ.

3.1. Сейсмические модели земной коры.

Мало-Ботуобинский район.

Далдыно - Алакитский район.

3.2. Сейсмоплотностные модели коры.

3.3. Особенности глубинного распределения упругих характеристик.

3.4. Оценка вещественного состава коры.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Сейсмическая структура земной коры и проявления кимберлитового магматизма в Западной Якутии"

Объект исследования - земная кора Якутской алмазоносной провинции, на предмет обнаружения структурно-вещественных неоднородностей, как одних из критериев, определяющих закономерности размещения кимберлитовых полей.

Актуальность исследования

Обнаружение глубинных структур, сопутствующих проявлениям кимберлитового магматизма, остается в значительной степени дискуссионным. Существует ряд геолого-геофизических моделей литосферы Якутской кимберлитовой провинции, описывающих связь особенностей структуры коры с кимберлитовым магматизмом. Вместе с тем их использование для прогноза закономерностей размещения кимберлитовых полей не имело успеха. Применение глубинных геофизических методов для этих целей также пока нельзя считать успешным.

Малые размеры кимберлитовых полей (30-50 км в поперечнике), часто располагающихся в районах развития траппов, существенно усложняют решение проблемы, так как требуют выполнения особо детальных исследований. Применение для этой цели гравимагнитных, электромагнитных, сейсморазведочных данных и детальных геологических съемок не привело к однозначным результатам, по всей видимости, из-за малой глубинности исследований, ограниченных, как правило, осадочным чехлом, а при региональных (глубинных) построениях - из-за недостаточной разрешающей способности используемых геофизических методов.

Таким образом, актуальность исследования определяется необходимостью повышения детальности глубинных сейсмических исследований, заключающейся в обработке полученных ранее данных по современным методикам численного моделирования волнового поля.

Цель исследования

По данным глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) и двумерного численного моделирования волнового поля выделить локальные структурновещественные неоднородности земной коры в районах кимберлитовых полей Западной Якутии и оценить ее вещественный состав по комплексу сейсмических и гравитационных данных. Задача исследования

Установить связь особенностей волнового поля с распределением локальных скоростных и плотностных параметров земной коры, проявляющихся в районах кимберлитовых полей.

Поставленная задача решалась в несколько этапов:

1. Составление уточненных сейсмических моделей земной коры по трем профилям ГСЗ пересекающим Мало-Ботуобинский и Далдыно-Алакитский кимберлитовые районы на основе численного двумерного моделирования кинематики волн.

2. Определение закономерностей в изменении скорости продольных и поперечных волн, плотности, упругих модулей и коэффициента Пуассона в земной коре с использованием построенных сейсмических моделей.

3. Оценка вещественного состава коры по рассчитанным сейсмоплотностным характеристикам.

Фактический материал, методы исследования

Основой работы являлся экспериментальный материал ГСЗ (первичные данные, около 13000 сейсмических трасс, хранившиеся в аналоговой форме на магнитных носителях), полученные коллективами организаций: Якутским институтом геологических наук СО РАН, Ботуобинской геологоразведочной экспедицией АК АЛРОСА, Новосибирской опытно-методической вибросейсмической экспедицией (НОМВЭ СО РАН СССР) и Объединенным институтом геологии, геофизики и минералогии (ОИГТиМ СО РАН СССР) в период 1981-1986 гг.

Теоретической основой решения поставленной задачи являются метод дискретной корреляции опорных волн (Пузырев и др., 1978) и лучевая теория распространения сейсмических волн в неоднородной изотропной среде. В работе использованы: - времена вступлений опорных Р- и Б-волн;

- данные, полученные в результате численного сейсмического моделирования;

- данные гравитационного моделирования, согласованного с полученными сейсмическими разрезами;

- лабораторные измерения плотности и коэффициента Пуассона на образцах горных пород (около 750 определений) {Баюк и др., 1988; Christencen, 1996).

Основной метод исследования - численное решение прямой кинематической задачи сейсмики в двумерно-неоднородной среде (Cerveny et al., 1977), реализованное в программе Ray 84РС, составленной в Геологическом институте Копенгагенского университета (Н. Thybo and J. Lauetgert). Достоверность теоретических расчетов подтверждается малым различием полученных значений с наблюденными временами пробега и объемом использованных данных (около 6000 времен вступлений опорных волн ГСЗ, полученных в 1981, 1983 гг. в Мало-Ботуобинском и 1986 г. в Далдыно-Алакитском районах).

Достоверность сейсмических разрезов подтверждается результатами гравитационного моделирования при соотношении скорость-плотность, близкому к данным по другим платформенным областям.

Защищаемые научные результаты:

1. В слоях консолидированной коры Якутской кимберлитовой провинции нарастание скорости с глубиной не превышает 1-2%. Это обуславливает скачки скорости на сейсмических границах до 3-7%, необходимые для согласования со значением скорости во всей толще коры, определяемой по данным отраженной волны от Мохо.

2. В земной коре районов кимберлитовых полей выделены локальные скоростные неоднородности, распределенные по глубине вплоть до раздела Мохо. Они рассматриваются в качестве сейсмических критериев для прогнозирования участков поиска кимберлитов.

3. Использование данных о распределении скорости продольных волн, коэффициента Пуассона и плотности (по гравитационным данным)

Щ значительно сужает неоднозначность оценки вещественного состава земной коры и указывает на отсутствие в ней значительных объемов мафических гранатовых гранулитов.

Научная новизна. Личный вклад: 1. Проведена интерпретация составленных скоростных двумерных моделей земной коры и оценена их достоверность, на основе анализа волновой картины, выбора модели первого приближения и использовании результатов численного моделирования в сейсмогеологических условиях Якутской кимберлитовой провинции: * - оцифрованы сейсмограммы ГСЗ по материалам полевых работ в

Мало-Ботуобинском (р. Олгуйдах - г. Мирный - г. Ленек, 1981 г.; п. Тас-Юрях - п. Алмазный - п. Малыкай, 1983 г.) и Далдыно-Алакитском (р. Моркока - г. Полярный - р. Муна, 1986 г.) районах. Составлен банк данных, представленный массивами цифровых шестиканальных сейсмограмм (седьмой канал марки времени) с соответствующим паспортом. Данные визуализированы монтажами, составленными из одноканальных трасс;

- основываясь на сопоставления наблюденных данных и результатов численного лучевого моделирования особенностей волнового поля ф выделен ряд локальных скоростных аномалий в земной коре, проявляющихся в районах кимберлитовых полей; различие между наблюденными и теоретическими временами пробега волн не превышает для продольных волн 0,08 с, для поперечных волн 0,2 с;

- по результатам численного моделирования построены сейсмические модели земной коры Мало-Ботуобинского и Далдыно-Алакитского районов; установлено, что земная кора представляет собой слоисто-блоковую модель с малым нарастанием скорости с глубиной в пределах слоев и заметными перепадами скорости на сейсмических границах;

- анализ сейсмических моделей земной коры в районах кимберлитовых полей позволил выделить локальные (с поперечным размером 30-60 км) аномалии пониженной скорости в верхах и повышенной в низах коры.

2. Установлена региональная линейная корреляция скорости продольных волн и плотности, по материалам гравитационного моделирования сейсмического разреза, выполненного A.B. Манаковым. При практически постоянном коэффициенте Пуассона, рассчитанные изменения модулей сжатия и сдвига в коре более контрастно характеризуют обнаруженные аномалии скорости.

3. Доказано отсутствие в коре значительных объемов пород высокой степени метаморфизма типа мафических гранатовых гранулитов на основе сопоставления геофизических данных с лабораторными измерениями на образцах горных пород. Наиболее представительными для всей коры региона могут быть породы близкие к гранат-дистеновому гранулиту.

Практическое значение

Обнаруженные в земной коре кимберлитовых районов локальные аномалии скорости могут быть использованы при прогнозе участков, перспективных на поиск проявлений кимберлитового магматизма в Западной Якутии.

Сейсмические параметры земной коры наиболее стабильной части Сибирской платформы могут использоваться для сравнения с данными, полученными в сейсмоактивных областях, с целью выделения и изучения характеристик, связанных с современными геодинамическими процессами.

Предложенная схема интерпретации данных ГСЗ дает возможность получения дополнительной, более детальной информации без значительных материальных затрат, кроме того, оцифрованные данные важны для проведения последующих сейсмических исследований.

Публикации и апробация работы

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались: на ежегодной международной научно-практической конференции «Студент и научно-технический прогресс» (присужден диплом первой степени). (Новосибирск, 1999 г.), на международном симпозиуме

Deep seismic profiling of the continents and their Margins» (Ульвик, Норвегия, 2000 г.), на международной геофизической конференции «Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий» (Новосибирск, 2000 г.), на геофизической конференции «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001 г.), на конференции посвященной 90-летию со дня рождения академика A.JI. Яншина «Фундаментальные проблемы геологии и тектоники Северной Евразии», на конференции «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001 г.), на международной конференции «Проблемы сейсмологии Ш-го тысячелетия» (Новосибирск, 2003 г.), на международном совещании «AGU 2002 Fall Meeting Moscone» (Сан-Франциско, Калифорния, 2003 г.), на совещании (Алмазы-50) «Эффективность прогнозирования и поисков месторождений алмазов: прошлое, настоящее и будущее» (Санкт-Петербург, 2004 г.), на международной научной конференции посвященной 90-летию со дня рождения академика H.H. Пузырева «Сейсмические исследования земной коры» (Новосибирск, 2004 г.), на международном симпозиуме, посвященном 70-летию академика Н.В. Соболева «Эволюция континентальной литосферы, происхождение алмазов и их месторождений» (Новосибирск, 2005 г.).

По теме диссертации опубликовано 12 работ, из которых 2 статьи в рецензируемых журналах, 7 - материалы российских и международных конференций, симпозиумов, совещаний, 3 - тезисы в трудах российских конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения с общим объемом 128 страниц, содержит 43 рисунка. Список литературы включает 84 наименования.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Мельник, Елена Александровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основное внимание в этой работе уделено обработке материалов профильных наблюдений ГСЗ. Одним из важных моментов являлось выявление дополнительных возможностей современных технологий обработки и интерпретации результатов. Было показано, что решение прямой кинематической задачи в двумерной модели позволяет значительно уточнить параметры сейсмического разреза и выполнить анализ надежности получаемых данных.

Такой подход к интерпретации данных ГСЗ позволил выделить под кимберлитовыми полями в верхней и нижней части коры локальные скоростные неоднородности (с поперечными размерами 50-70 км), приуроченные к вертикальным зонам, протягивающимся через всю толщу коры. Вследствие локальности, эти аномалии могут соответствовать ограниченным телам, возможно, магматической природы с характеристиками, отличающимися от вмещающей среды. Их существование могло обеспечить повышенную проницаемость коры для кимберлитов. Представляет значительный интерес изучить пространственное положение выделенных аномалий, которое может быть получено при обработке данных площадных наблюдений ГСЗ.

Представлен комплекс геофизических данных, включающий определения скорости продольных, поперечных волн и результаты гравитационного моделирования для оценки плотности, соответствующей сейсмической модели земной коры. Набор этих данных позволяет анализировать особенности распределения коэффициента Пуассона и упругих модулей сжатия и сдвига в коре. Показано, что изменение упругих модулей повторяет закономерности распределения скорости продольных волн, но дает дополнительные сведения о свойствах локальных аномалий. Аномалии пониженной скорости в фундаменте и повышенной в низах коры имеют соответственно и различные плотности, но близкие значения коэффициента Пуассона.

Попытка определения оценки вещественного состава земной коры по комплексу имеющихся данных показывает неоднозначность решения такой задачи. В частности, использовать только величину плотности можно для очень приблизительных оценок вещественного состава крупных блоков земной коры, поскольку одному значению плотности может соответствовать ряд пород с различной скоростью.

Выяснилось, что лабораторные данные из опубликованных сводок, соответствующие сейсмическим и гравитационным наблюдениям, не обладают необходимой полнотой и показывают значительный разброс значений. Возможно, последнее обусловлено тем, что использованы образцы пород из различных регионов, с другими условиями формирования коры, чем в кимберлитовой провинции. По всей видимости, по этой причине существует заметное различие в значениях коэффициента Пуассона по лабораторным измерениям приведенных в сводках данных (Баюк и др., 1988; СИ^епсеп, 1996). Таким образом, трудно оценить надежность полученных выше оценок вещественного состава коры Далдыно-Алакитского района. Для этого требуется анализ геологических и петрологических данных района исследований, что не входило в нашу задачу.

Несмотря на это, определенные ограничения на возможный состав коры получены. Наиболее интересным представляется отсутствие в земной коре архейского кратона значительных объемов пород с высокой степенью метаморфизма типа мафического гранатового гранулита, для которого характерна высокая скорость ~ 7,3 км/с (из расчетов по минералогическому составу до 7,7 км/с при плотности около 3,15 г/см ). Завышенные Р-Т параметры метаморфизма гранулитов также не свойственны нижней коре этого региона (Бузлукова и др., 2004). Такое несоответствие, возможно, указывает на то, что гранатовые гранулиты могут присутствовать в виде линз и прослоек.

Более определенную оценку вещественного состава земной коры можно будет получить, если использовать лабораторные и геофизические данные, полученные в пределах одного региона (хотя и при этом нет полной ясности в корректности сопоставления данных для образцов пород малого размера и натурных наблюдений для крупных массивов).

В этом смысле Якутская кимберлитовая провинция, где имеются широкий набор коровых ксенолитов, представляет особый интерес для проведения комплексных геолого-геофизических исследований структуры и вещественного состава коры и мантии.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Мельник, Елена Александровна, Новосибирск

1. Алейников А.Л., Егоркин A.B., Немзоров Н.И. Прогноз вещественного состава земной коры по данным ГСЗ // Сов. Геология, 1990, № 10, с. 9197.

2. Артюшков Е. В., Соболев C.B. Механизм подъем с глубины кимберлитовых магм // Докл. АН СССР. 1977.Т 236. № 3 С. 692-695.

3. Баюк Е.И., Томашевская И.С., Добрынин В.М. и др. Физические свойства минералов и горных пород при высоких термодинамических параметрах. Справочник. Под ред. М.П.Воларовича. М.: Недра, 1988. 255 с.

4. Бабаян Г.Д., Мокшанцев К.Б., Уаров В.Ф. Земная кора восточной части Сибирской платформы, Новосибирск: Наука, 1978, 56 с.

5. Белоусов В.В., Павленкова Н.И. Типы земной коры Европы и Северной Атлантики // Геотектоника. 1989, № 3, с 3-15.

6. Борис Е.И., Францессон Е.В. О закономерностях размещения кимберлитовых тел в Мало-Ботуобинском районе (Западная Якутия) // Геология и разведка, 1992, №5, с. 68-74.

7. Брахфогель Ф. Ф. Геологические аспекты кимберлитового магматизма северо-востока Сибирской платформы. — Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1984.

8. Бузлукова Л.В., Шацкий B.C., Соболев Н.В.Особенности строения низов земной коры в районе кимберлитовой трубки Загадочная (Якутия) // Геология и геофизика, 2004, т. 45, № 8, с. 992-1007.

9. Бурьянов В.Б., Гордиенко В.В., Павленкова Н.И. Комплексная геофизическая модель юга Европейской части СССР. // Сб. Гравитационная модель коры и верхней мантии Земли. Киев: Наукова Думка. 1979. с. 137-149.

10. Ваганов В.И., Варламов В.А., Фельдман A.A. и др. Прогнозно-поисковые системы для месторождений алмазов // Отечественная геология, 1995, № 3, с. 42-53.

11. Варламов В.А. Структуры кимберлитовых полей как разновидность вулканических построек центрального типа // Тр. ЦНИГРИ, вып. 237. -M., 1989, с. 16-25.

12. Геология, закономерности размещения, методы прогнозирования и поисков месторождений алмазов.// Материалы научно-практической конференции, посвященной 30-летию ЯНИГП ЦНИГРИ AK "AJ1POCA" -Мирный, 1998,408 с.

13. Геология СССР, т. XV2I. Западная часть Якутской АССР. 4.1, кн. 2, М.: 1971,246 с.

14. Гольдин C.B., Киселева Л.Г. Двумерная кинематическая интерпретация сейсмограмм в слоистых средах. Новосибирск: Наука, 1993. -207 с.

15. Гринсон A.C. Модель кимберлитообразования по геолого-геофизическим данным // Геофизика, 1997, № 5, с, 49-54.

16. Гурвич И.И. Сейсмическая разведка. М.: Гостоптехиздат, 1959. 504 с.

17. Духовский A.A., Артамонова H.A., Дудко Е.А. и др. Глубинное строение кимберлитовых полей Сибирской платформы // Докл. АН СССР, 1986, т. 290, № 4, с. 920-924.

18. Дукардт Ю.А., Борис Е.И. Контроль кимберлитового вулканизма Якутской алмазоносной провинции палеорифтовыми структурами // Отечественная геология, 1996, № 10, с. 28-34.

19. Егоркин A.B., Костюченко С.Л. Неоднородность строения верхней мантии. В сб. Глубинное строение территории СССР. М.: Наука. 1991. с. 135-142.

20. Егоркин A.B. Строение земной коры по геотраверсам. В кн. Глубинное строение территории СССР. М.: Недра, 1991. с. 119-135.

21. Караев H.A., Анисимов A.A., Кашкевич В.И. и др. Сейсмическаягетерогенность земной коры h ее отображение в поле рассеянных волн // Геофизика, 1998, № 2, с. 29-39.

22. Красовский С.С. Гравитационное моделирование глубинных структур земной коры и изостазия. Киев: Наукова Думка, 1989. 247 с.

23. Крылов C.B., Мишенькин Б.П., Мишенькина З.Р. и др. Детальные сейсмические исследования литосферы на Р- и S- волнах. Новосибирск: Наука, 1993. 198 с.

24. Лебедев Т.С., Корчин В.А., Савенко Б .Я. и др. Петрофизические исследования при высоких РТ-параметрах и их геофизические приложения. Киев: Наукова думка, 1988. 248 с.

25. Малич Н.С., Масайтис В.А., Сурков B.C. Геологическое строение СССР и закономерности размещения полезных ископаемых. Т.4, Сибирская платформа, Л.: Недра, 1987,431 с.

26. Манаков A.B. Особенности строения литосферы Якутской кимберлитовой провинции Воронеж: Изд-во университета. 1999. - 58 с.

27. Манаков A.B., Романов H.H., Полторацкая О.Л. Кимберлитовые поля Якутии. Воронеж: Изд-во университета. 2000. - 82 с.

28. Маракушев A.A. вулканическая природа алмазоносных пород кимберлитовых трубок // Геология и геофизики, 1982, №8, с 16-27.

29. Матухин Р.Г. Девон и нижний карбон Сибирской платформы. -Новосибирск: Наука. 1991, 163 с.

30. Милашев В.А., Розенберг В.И. Структура коры и размещение кимберлитов Сибирской платформы // Геология и геофизика, 1974, № 1, с. 61-73.

31. Методика и аппаратура для региональных сейсмических исследований в труднодоступной местности и их применение в Сибири // Отв. ред. Федынский В.В., Косминская И.П. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1978.-204 с.

32. Мокшанцев К.Б., Еловских В.В., Ковальских В.В. и др. Структурный контроль проявлений кимберлитового магматизма на северо-востоке

33. Сибирской платформы. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1974.-97 с.

34. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. М.: Недра, 1996. 448 с.

35. Никулин В.И., Лелюх М.И., Фон-дер-Флаасс Г.С. Алмазопрогностика-Иркутск: 2002-320 с.

36. Олейников Б.В., Никишов К.Н., Ковальский В.В. Петролого-геохимические черты глубинной эволюции вещества кимберлитовой и базитовой магматических систем. Якутск: Изд. ЯФ СО АН СССР, 1985, 200 с.

37. Пейве A.B. Тектоника и магматизм. // Изв. АН СССР, сер. геология., 1963, №3.

38. Полтарацкая О.Л. Глубинные геоэлектрические исследования в Якутии // Сб. Геофизика на рубеже веков, Якутск, 2000, с 21-25.

39. Пузырев H.H. Об интерпретации данных метода преломленных волн при наличии градиента скорости в нижней среде // Геология и геофизика, 1960, № 10, с. 120-128.

40. Пузырев H.H., Бабаян Г.Д., Бочаров А.И. и др. Методика и аппаратура для региональных сейсмических исследований в труднодоступной местности и их применение в Сибири. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1978.-204 с.

41. Резанов И.А. Новая модель земной коры континентов // Изв. вузов. Геология и разведка. 1985. №1, с. 14-19.

42. Розен О.М., Манаков A.B., Суворов В.Д. Коллизионная система северо-востока Сибирского кратона и проблема алмазоносного литосферного клина. // Физика Земли, 2005 г., № 6, с. 42-67.

43. Селезнев B.Ci, Соловьев В.М., Суворов В.Д., Крейнин А.Б., Уаров В.Ф. Использование поперечных волн при глубинном сейсмическом зондировании в Западной Якутии // Геология и геофизика, 1987, № 1, с. 109-117.

44. Смелов А.П., Тимофеев В.Б. Террейновый анализ и геодинамическая модель формирования Северо-Азиатского кратона в раннем докембрии // Тихоокеанская геология.-2003, Т. 22, № 6, с. 42-54.

45. Соболев B.C., Соболев C.B. изменение плотности мантии при выплавлении базальтоидных магм // Докл. АН СССР. 1977.Т 234. № 4 С. 896-900.

46. Соболев Н.В., Синицин A.B. Кушев В.Г. Структурная металлогения алмазоносных кимберлитов // Геология и геофизика.-1992, №10, с. 3-12.

47. Сорохтин О.Г. Тектоника литосферных плит и происхождение алмазоносных кимберлитов // Обзор ВИЭМС.-М., 1985,47с.

48. Строение земной коры Анабарского щита/ Розен О.М., Вишневский А.Н., Глуховский М.З., и др. М.: Наука, 1986, 197 с.

49. Структурный контроль проявлений кимберлитового магматизма насеверо-востоке Сибирской платформы // Мокшанцев К.Б., Еловских В.В., Ковальских В.В. и др. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1974.97 с.

50. Суворов В.Д., Крейнин А.Б., Селезнев B.C., Соловьев В.М., Уаров В.Ф Глубинные сейсмические исследования по профилю Олгуйдах Мирный - Ленек // Геология и геофизика, 1983, № 9, с. 72-80.

51. Суворов В.Д., Крейнин А.Б., Подваркова И.В., Селезнев B.C., Соловьев В.М., Уаров В.Ф, Черный С.Д. Глубинные сейсмические исследования по профилю Тас-Юрях Алмазный - Малыкай // Геология и геофизика, 1986, № п, с. 72-78.

52. Суворов В.Д., Шарапов Е.В, Сейсмические особенности поверхности мантии в южной части Якутской кимберлитовой провинции // Геология и геофизика.-1990, №7, с. 12-17.

53. Суворов В.Д., Парасотка Б.С., Оськин И.В., Хомяков A.M. Новые сейсмические данные о структуре земной коры Мирнинского кимберлитового поля // Геология и геофизика, 1992, № 8, с. 96-101

54. Суворов В.Д. Глубинные сейсмические исследования в Якутской кимберлитовой провинции. Новосибирск, Наука, 1993, 136 с.

55. Суворов В.Д., Тимиршин К.В., Юрин Ю.А., Парасотка Б.С., Матвеев В.Д. Соотношение глубинных и приповерхностных структур в южной части Якутской кимберлитовой провинции по сейсмическим данным // Геология и геофизика, 1997, Т. 38, №. 5, с. 1014-1020

56. Суворов В.Д., Парасотка Б.С., Черный С.Д. Глубинные сейсмические исследования в Якутии // Физика Земли, 1999, N 7-8. с. 94-114.

57. Трофимов B.C. Геология месторождений природных алмазов. М.: Недра, 1980, с. 304.6366