Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Современные геодинамически активные зоны Воронежского кристаллического массива по геологическим, геофизическим и сейсмологическим данным

ВАК РФ 25.00.03, Геотектоника и геодинамика

Автореферат диссертации по теме "Современные геодинамически активные зоны Воронежского кристаллического массива по геологическим, геофизическим и сейсмологическим данным"

На правах рукописи

Ефременко Марина Алексеевна

Современные геодинамически активные зоны Воронежского кристаллического массива по геологическим, геофизическим и сейсмологическим данным

Специальность 25.00.03 - Геотектоника и геодинамика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 О НОЯ 2011

Москва 2011

4859030

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Геофизическая служба РАН (ГС РАН)

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук

Рогожин Евгений Александрович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Юрий Константинович Щукин, Учреждение Российской академии наук Институт динамики геосфер РАН г. Москва

доктор геолого-минералогических наук профессор Ненахов Виктор Миронович, Воронежский государственный университет, геологический факультет, г. Воронеж

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Инсти-

тут экологических проблем Севера УрО РАН г. Архангельск

Защита состоится «08» декабря 2011 г. в ■' ¿^часов на заседании диссертационного совета Д002.001.01, созданного при Учреждении Российской академии наук Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН) по адресу: 123995, ГСП-5, г. Москва Д-242, Б.Грузинская ул., 10, строение 1, ИФЗ РАН, конференц зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН. Автореферат разослан «£&> /О 2011 г.

Ученый секретарь ^ /_

кандидат физико-математических наук Пилипенко О. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Изучение динамического состояния и современной сейсмической активности земной коры центральной части Восточно-Европейской платформы, к которой относится и Воронежский кристаллический массив, является одним из актуальных направлений в области наук о Земле.

Это обусловлено необходимостью обеспечения сейсмической безопасности этой территории, так как, с одной стороны, она не является сейсмически пассивной, как показали инструментальные наблюдения последних лет, с другой, здесь развита мощная промышленная инфраструктура, размещены объекты повышенного экологического риска (АЭС, химкомбинаты, объекты спецназначения и т.п.) и отмечается высокая плотность населения. Положение осложняется ещё и тем, что многие функционирующие объекты исчерпали срок службы, однако сроки их эксплуатации продлеваются, планируется строительство новых АЭС.

В этой связи, районирование территории Воронежского кристаллического массива по степени современной геодинамической активности является весьма актуальным вопросом, так как позволит получить новую важную информацию о состоянии литосферы региона, которая может служить основой для оценки степени сейсмической опасности платформенной территории и сейсмических рисков, связанных с природными факторами.

В настоящее время территория Воронежского кристаллического массива (ВКМ) хорошо изучена геологическими и геофизическими методами различных масштабов. В течение более 10 лет системой сейсмических станций ведется сейсмический мониторинг, накоплен большой фактический сейсмологический материал. Большой объем геологических, геофизических и сейсмологических данных является хорошей основой для выработки методики выделения геодинамически активных зон в платформенной литосфере и картирования этих зон в пределах ВКМ.

Цель работы состоит в выделении геодинамически активных зон на территории Воронежского кристаллического массива по геолого-геофизическим и сейсмологическим данным.

Реализация поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

- сбор, систематизация и анализ геологических и геофизических данных о строении земной коры и верхов мантии ВКМ;

- анализ современной сейсмической активности региона;

- выявление связи характера современной сейсмической активности геофизических полей, геолого-геофизических неоднородностей земной коры и верхов мантии. Определение информативных признаков выделения геодинамически активных зон.

- построение схемы геодинамически активных зон территории ВКМ.

Научная новизна работы

- показано на основе анализа результатов сейсмического мониторинга, что территория Воронежского кристаллического массива не является асейсмичной. Изучены пространственно-временные и энергетические закономерности современной сейсмичности ВКМ;

- выявлены связи неоднородностей геофизических полей и пространственного распределения эпицентров землетрясений;

-показано, что значительная часть эпицентров землетрясений приурочена к структурно-вещественным неоднородностям литосферы разной глубины;

-разработана система признаков выделения геодинамически активных зон. Впервые на территории ВКМ выделены геодинамически активные зоны трёх типов: транслитосферные, транскоровые и внутрикоровые.

Защищаемые положения

1. Результаты сейсмического мониторинга свидетельствуют, что территория Воронежского кристаллического массива не является асейсмичной. За последние 12 лет в его пределах зарегистрировано более 300 мелкофокусных землетрясений 6-10 энергетических классов. Сейсмический процесс имеет ритмичный характер во времени.

2. Пространственное положение эпицентров землетрясений коррелирует с особенностями геофизических полей и структурно-вещественными неоднородностями литосферы на разной глубине.

3. На основе обобщения и анализа большого объема геологических, геофизических и сейсмологических данных определены информативные признаки выделения геодинамически активных зон в условиях Воронежского кристаллического массива.

4. Используя эти признаки на территории Воронежского кристаллического массива выделены три основных типа геодинамически активных зон: транслитосферные, транскоровые и внутрикоровые, разграничивающие блоки различных иерархических уровней и отражающие характер современных сейсмотектонических процессов в литосфере ВКМ.

Связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами. Работа выполнена в рамках программы научных исследований Геофизической службы РАН в 2005-2010 гг., грантов РФФИ (01-05-97405-р98цчр, 05-05-96406-р_цчр_а, 06-05-96302-р_центр_а, 08-05-90427-Укр_а) и проекта REG-010.

Фактический материал и методы исследования. Результаты исследования базировались на материалах фондов и опубликованных материалах различных авторов о геологическом строении Воронежского кристаллического массива различными исследователями, начиная с 1957 г. Использовались схемы и карты геофизических полей различного масштаба, разрезы земной коры, отображающие глубинное геологическое строение земной коры и верхов мантии.

Использовались данные по сейсмическому мониторингу, полученные в лаборатории сейсмического мониторинга ВКМ в период с 1998 года по настоящее время. Обработка информации осуществлялась при помощи комплекса программ WSG ("Система обработки сейсмических данных WSG"), разработанного и используемого в работе Геофизической службы РАН (ГС РАН).

Личный вклад автора. Автор участвовал на всех этапах проведения сейсмического мониторинга от производства наблюдений до обработки и интерпретации данных. Путем анализа каталогов местных землетрясений автором выявлены основные особенности волновых форм местных землетрясений, пространственно-временные и энергетические закономерности сейсмической активности территории ВКМ за период 1998-2010 гг.

Автором работы выполнен комплексный анализ геолого-геофизических данных и результатов сейсмического мониторинга, на основе которого выработана система признаков выделения геодинамически активных зон в литосфере ВКМ. Построена схема геодинамически активных зон, отражающая основные особенности современного состояния недр Воронежского кристаллического массива.

Практическая ценность. Результаты представляются важными при исследованиях сейсмических процессов и геодинамики литосферы платформенных регионов. В прикладных работах они приобретают первостепенное значение при оценке сейсми-

ческой опасности и могут использоваться при составлении карт детального сейсмического районирования.

Апробация. Результаты работы докладывались на IV, VII, X, XI, XII заседаниях Уральской молодежной научной школы по геофизике «Современные проблемы геофизики» (г. Пермь, 2003, 2009, 2011 гг.; г. Екатеринбург, 2006, 2010 гг.); на Казахстано-российской международной конференции «Геодинамические, сейсмологические и геофизические основы прогноза землетрясений и оценки сейсмического риска» (г. Алма-ты, 2005 г.); на XII международной конференции «Активные геологические и геофизические процессы в литосфере. Методы, средства и результаты изучения» (г. Воронеж, 2006 г.); на Международной конференции «Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология» (г. Воронеж, 2008); на 4-ой международной сейсмологической школе «Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных» (г. Листвянка, 2009 г.); на Международной конференции «Современные проблемы сейсмологии, гидрогеологии и инженерной геологии» (г. Ташкент, 2010 г.); на XVI международной конференции «Свойства, структура, динамика и минерагения литосферы Восточно-Европейской платформы» (г. Воронеж, 2010 г.); на Международной научной конференции «Геодинамика, сейсмическая опасность, сейсмостойкость сооружений» (г. Алушта, 2011 г.)

Основные результаты работы были доложены и обсуждались на семинарах Лаборатории сейсмического мониторинга ВКМ (г. Воронеж) и на ученых советах Геофизической службы РАН.

Работа выполнена под руководством доктора геол.-мин. наук Евгения Александровича Рогожина, которому автор выражает глубокую признательность и благодарность. Автор выражает глубокую признательность член-корр. РАН Чернышову Н.М. за постоянное внимание к работе и поддержку, член-корр. РАН Маловичко A.A. за ценные замечания и рекомендации в процессе подготовки работы. Автор искренно благодарит канд. геол.-минерал. наук, зав. лабораторией СМ ВКМ Надежка Л.И. за ценные советы и помощь на всех стадиях подготовки диссертации. Автор выражает благодарность доктору геол.-минерал. наук Трегубу А.И. за проявленный интерес и обсуждение отдельных разделов, Сафроничу И.Н. за участие в оформлении графического материала. Искренне благодарна коллегам Пивоварову С.П., Орлову P.A., Дубянскому А.И., Золототрубовой Э.И., Ипполитову О.М. за внимание и поддержку. Автор выражает благодарность коллегам по работе за отзывчивость и поддержку в ходе подготовки работы.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК.

Структура работы: диссертация состоит из введения, 5 глав основной части и заключения. Объем работы 133 страниц, 46 рисунок, 5 таблицы. Список использованных источников включает 148 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе: «Современные представления о геодинамически активных зонах платформенных территорий» приведен краткий обзор современных представлений о таких зонах и дано определение, какие структуры будут рассматриваться в работе в качестве геодинамически активных.

Большинство исследователей в последние десятилетия считают, что платформенные территории не являются геодинамически и сейсмически пассивными (Грачев,

1995; Ермаков и др., 1984; Кузьмин, 1998; Леонов, 1995; Макаров, 2010; Щукин, 2009; Блинова, 2003; Юдахин и др., 2003; Никонов, 1995; Копп и др., 2002). Некоторые исследователи считают, что "активность зон асейсмичных (платформенных) регионов не уступает активности аналогичных зон в сейсмических областях" (Касьянова, Кузьмин, 1996). Представления о характере современной активности платформенных территорий, методология изучения, а также методы и способы представления результатов у разных исследователей существенно отличаются (Макаров и др., 2007, 2008, 2010). Наиболее ярким отражением геодинамической активности, по мнению Макарова В.И., является сейсмичность. Подтверждением могут служить также результаты геодезических измерений. Чаще всего изучение современной активности платформ имеет своей целью выделение геодинамически активных или геодинамически неустойчивых зон.

В настоящее время, несмотря на активное использование этого термина, каждый исследователь вкладывает в него свой смысл. По мнению В.И. Макарова на платформах, кроме широких и пологих изгибных деформаций, охватывающих почти всё пространство, "имеют место дискретно распределённые и сравнительно узко локализованные зоны повышенной деформированности осадочного чехла" (Макаров, 2010). Учитывая эти структурные особенности, в качестве самостоятельной категории структурных элементов платформенных территорий им предлагается выделить геодинамически активные зоны (ГдАЗ) (Макаров, 2007, 2010). Под геодинамически активными зонами понимаются структуры, в которых в силу различных (в основном эндогенных) причин имеются или могут возникнуть условия для концентрации дополнительных тектонических напряжений и деформированности горных пород. Эти зоны могут иметь значительную глубину заложения и по-разному проявляться в верхней части земной коры (Макаров и др., 2007, 2008).

По мнению Т.С. Блиновой "геодинамически неустойчивые зоны" отличаются свойствами среды и динамикой процессов, которые вызывают их дестабилизацию под действием глобальных, региональных тектонических сил и находят свое проявление в сейсмичности. Ею предложены признаки распознавания геодинамически неустойчивых зон, которые подразделяются по группам (Блинова, 1997, 1999, 2003). Большое внимание при выделении геодинамически неустойчивых зон уделяется проявлениям современной сейсмичности. На основе комплексного подхода Т.С. Блиновой в пределах За-падноуральского региона выделены геодинамически неустойчивые зоны различного порядка (Блинова, 2000, 2001, 2003).

В работах ЕАРогожина с соавторами в пределах ВЕП и Сибирской платформы описываются системы активных разломов, способных порождать слабые и умеренные по силе землетрясения (2009, 2010, 2011).

Итак, наиболее ярким выражением современной геодинамической активности является сейсмичность. Поэтому при оценке сейсмической активности, прежде всего, выполняются исследования по выделению геодинамически активных зон по комплексу геолого-геофизических данных. Действующий сейчас в качестве нормативного документа комплект карт «Общего сейсмического районирования» (ОСР-97) также базировался при его составлении на результатах региональных и межрегиональных геолого-геофизических и сейсмологических исследований, позволяющих выявить региональные, межрегиональные и локальные сейсмогенерирующие зоны (Страхов и др., 1998; Уломов, 1987, 1992, 1998). В основу построения набора карт ОСР-97 было положено учение о сейсмогеодинамике, которое рассматривает сейсмичность как результат деформирования земной коры и всей литосферы с учетом фрактальных особенностей слоисто-блоковой структуры, их прочностных свойств и процессов разрушения на разных иерархических масштабных уровнях (Уломов, 1987, 1992, 1998). Землетрясения возникают в дискретной слоисто-блоковой среде, структура которой предопределена предыдущими геологическими эпохами, новейшей и современной геодинамикой. При составлении карт ОСР-97 предполагалось, что размеры зон разломов (геодинамически

активных зон) и расстояние между ними обусловлены толщиной и прочностными свойствами соответствующих слоёв (Уломов, 1999). В.И. Уломов с соавторами увязывают друг с другом мощность слоя, глубину заложения разлома, размеры блоков и мощность очагов землетрясений. Это позволило создать им решёточную модель сейсмоге-неза (Уломов, 1999) и построить иерархически упорядоченную систему сейсмически (геодинамически) активных структур (Уломов, 1987, 1992, 1998; Страхов и др., 1998).

Иной подход к выделению динамически и сейсмически активных структур изложен в публикациях Г.И.Рейснера с соавторами (Рейснер и др., 1987, 1991, 1993). В указанных работах исследования выполнялись с целью выделения различных эндогенных режимов. Авторы указанных работ отмечают наличие четырёх тесно увязанных между собой направлений:

1) Типизация земной коры по комплексу данных о её современном состоянии и строении.

2) Районирование земной коры по выделенным типам.

3) Выявление современных эндогенных режимов и их районирование.

4) Оценка сейсмического потенциала для выделенных типов коры и эндогенных режимов.

В целом же, выделение сейсмически, (а, следовательно, и геодинамически) активных зон на основе типизации земной коры аккумулирует в себе информацию не только и не столько об особенностях строения осадочного чехла, но и о геолого-геофизических параметрах характеризующих всю земную кору.

Бугаев Е.Г. к геодинамически активным зонам относит структуры, в пределах которых зафиксированы четвертичные, голоценовые или современные асейсмичные и сейсмогенные перемещения (Бугаев, Степанов, 1987; Бугаев, 1987, 1999). Основным критерием выделения геодинамически активных зон при оценке сейсмических условий районов размещения АЭС является возраст последней активизации.

Широкий спектр формулировок и разная трактовка термина «геодинамически активная зона» значительно осложняет проблему и не позволяет формализовать методы и подходы оценки современной активности платформенных территорий.

В настоящей работе в качестве геодинамически активных зон будут рассматриваться линейные зоны (складки, разломы), которые разграничивают площадные структуры (блоки, мегаблоки), отличающиеся строением, вещественным составом и физическими характеристиками различных горизонтов литосферы и проявляются в современной сейсмической активности.

Изложенные ниже результаты исследований по выделению геодинамически активных зон Воронежского кристаллического массива не решают в полной мере проблему, степени геодинамической активности платформенных территорий но, возможно, будут способствовать выработке некоторых общих положений и подходов для прояснения этой проблемы.

Во второй главе: «Общие сведения о геологическом строении земной коры Воронежского кристаллического массива (от дневной поверхности до верхней мантии)» кратко изложены сведения о геологическом строении эрозионного среза до-кембрийского фундамента и осадочного чехла, приведены сведения о современной неотектонической структуре, а также о внутреннем строении кристаллической коры и некоторых особенностях строения верхов мантии.

Воронежский кристаллический массив (ВКМ) представляет собой погребенный выступ субкрустальных и магматических пород архейского и протерозойского возраста, образующих кристаллический фундамент одноименной антеклизы. Воронежская ан-теклиза (ВА), занимает центральную часть древней Восточно-Европейской платформы и имеет четкие структурные ограничения, к которым приурочены внутриплатформен-ные авлакогены (Днепрово-Донецкая впадина на юге и юго-востоке, Пачелмский прогиб

на северо-востоке, Торопецкий, Гжатский и Московский на севере) или региональные уступы в рельефе кристаллического фундамента (граница с Прикаспийской впадиной на востоке) (рис. 1).

В геологическом строении изучаемой территории отчетливо выделяются два структурных мегакомплекса. Верхний мегакомплекс (платформенный чехол) представлен отложениями венд-рифея, девонской и каменноугольной системами палеозоя, юрской и меловой системами мезозоя, палеоген-неогеновой и четвертичной системами кайнозоя (Раскатов, 1969, 1972; Холмовой, 1970, 1993; Старухин, 1973; Лукьянов, 1996; Трегуб, 2002). Нижний - кристаллический фундамент антеклизы - образован су-перкрустальными и магматическими породами, относящимися к протерозойскому и архейскому времени (Красовицкая, Павловский, 1970; Лебедев, 1972; Крестин, 1980; Ло-сицкий и др., 1997; Молотков и др., 2001; Чернышов, Ненахов, 2001; Щипанский и др., 2007).

Рис. 1. Схема рельефа фундамента и тектонических нарушений Воронежского кристаллического массива (В.И. Лосицкий и др, 1999)

1 -условные границы крупных структур Восточно-Европейской платформы; 2 -изогипсы фундамента; 3 - границы основных структур ВКМ; тектонические нарушения: 4 - первого порядка; 5 - второго порядка; 6 -третьего порядка

Структурно-вещественные комплексы осадочного чехла обладают своими специфическими особенностями. Стратиграфический перерыв между кристаллическим фундаментом, сформированным к началу верхнего протерозоя (примерно 1,6 млрд. лет назад) и осадочным чехлом имеет различную продолжительность в разных частях массива (в целом закономерно возрастает с севера на юг) и определяется возрастом отложений, перекрывающих фундамент. Именно в этот промежуток времени поверхность фундамента приобрела свой главный признак - общий равнинный характер. Наиболее древними продуктами осадочного чехла ВКМ являются венд-рифейские отложения, установленные непосредственно в прибортовых частях Пачелмского авлакогена и

Оршанской впадины. В девонском структурно-вещественном комплексе (СВК) преобладают аргеллитоподобные глины с прослоями песков, песчаников и известняков. Общая мощность пород девонского возраста в сводовой части ВКМ меняется от 50 до 200 м, а на склонах превышает несколько сотен метров. Мезозойские отложения образованы юрским (пески, алевролиты, глины), нижнемеловым (пески, глины) и верхнемеловым (пески, мел, известняки) структурно-вещественными комплексами. Нижнемеловой СВК отделяется от юрского стратиграфическим перерывом и несогласием. Мощность белого писчего мела изменяется от 35 до 110 м. Кайнозойский СВК отделен от верхнемелового поверхностью азимутального и углового несогласия, а также стратиграфическим перерывом, в продолжении которого значительная часть разреза верхнего мела была размыта. В составе кайнозойского комплекса выделяются два СВК второго ранга: палеогеновый и неоген-четвертичный (неотектонический). Для неоген-четвертичного СВК, представленного песками, глинами, мореной, выполнено неотектоническое районирование (Раскатов, 1969, 1972; Старухин, 1973; Трегуб, 2002). Наиболее представительными неоген-четвертичными структурами в регионе являются: Среднерусская возвышенность и Окско-Донская впадина. Эти структуры подразделяются на целый ряд блоков второго и более мелкого порядков.

В эрозионном срезе докембрия ВКМ современными исследователями в качестве структур первого порядка выделяются: мегаблок Курской магнитной аномалии (КМА), Хоперский мегаблок и разделяющая их Лосевская шовная зона (Чернышое, 1996; Чернышев, 1996, 2001; Ненахов и др., 2007, Чернышое, Ненахов, 2010). Мегаблоки отличаются строением верхов мантии, физико-геологическими характеристиками земной коры, её средней мощностью, мощностью, скоростными и плотностными характеристиками отдельных слоёв, строением эрозионного среза докембрия.

Курский мегаблок включает ряд макроблоков 2-го ранга, структурно-вещественные комплексы которых представлены парагенезисом архейских зеленока-менных поясов и гранито-гнейсовых куполов (Михайловская серия верхнего архея и обоянский комплекс нижнего архея) и характеризуется широким развитием раннека-рельских рифтогенных структур (Михайловская, Орловско-Оскольская и др.), внешне наследующими структурный план позднеархейских зеленокаменных поясов (Крестин, 1980; Чернышое, Ненахов и др., 1997, 2010).

Хоперский мегаблок сложен отложениями воронцовской серии нижнего протерозоя, представленными ритмично переслаивающимися сланцами, в т.ч. углеродсодер-жащими, метапесчаниками, метаалевролитами, изредка метаэффузивами. На участках глубокого метаморфизма породы серии превращены в гнейсы графитовые, биотит-плагиоклазовые. Они вмещают многочисленные интрузии базит-гипербазитовых тел мамоновского комплекса и гранитоидов бобровского комплекса.

Лосевская шовная зона (ЛШЗ) простирается с севера на юг от Днепрово-Донецкого до Пачелмского авлакогена и характеризуется специфическим набором осадочно-метаморфических и вулканогенно-интрузивных формаций. Породы лосевской серии верхнего архея - нижнего протерозоя (метадациты, метабазальты, амфиболиты, ортосланцы основного состава) прорваны биотитовыми гранитами усманского комплекса, массивами роговообманковых габбро рождественского комплекса в восточной части зоны и автохтонными метасоматическими гранитоидами павловского комплекса. Они разделены сильно мигматизированными (до теневых мигматитов) породами архейского субстрата в западной части ЛШЗ. Границей ЛШЗ и Хоперского блока является глубинный Лосевско-Мамонский разлом, а Курского геоблока и ЛШЗ - Ряжско-Кантемировский глубинный разлом 1го ранга (рис. 1), определяющие положение основных структурных элементов ВКМ. Производными первых двух являются глубинные разломы (блокоразделы) 2го ранга - сквозные коро-мантийные разломы. Они уверенно фиксируются по гравимагнитным данным. Региональные разломы 3го ранга и 4го ранга,

являются блокоразделами, по которым заложились рифтогенные зоны (структуры) (Ло-сицкий и др., 1999).

Кристаллический фундамент осложнён многочисленными тектоническими нарушениями различного ранга, которые часто прослеживаются и в осадочном чехле. Разломы отличаются по времени, глубине заложения, характеру тектонических движений по ним. Наиболее крупные зоны разломов имеют сложное внутреннее строение, отчетливо выражаются в гравитационном и магнитных полях и разграничивают структуры с различной историей геологического развития. Геологические данные свидетельствуют о неоднократном обновлении тектонических разломов на различных стадиях развития региона (Красовицкая, Павловский, 1970; Лосицкий и др., 1997; Рогожин, 2004).

На территории ВКМ в разные годы выполнен большой объем глубинных сейсмических исследований различных модификаций: непрерывный профиль ГСЗ Купянск-Липецк-Тума, являющийся частью геотраверса Черное море - Воркута (Чамо и др., 1971; Юров, 1977: Павленкова, 1996) и профили, отработанные по системе дискретных наблюдений от промышленных взрывов (Тарное, 1974; Дубянский, 1984; Тарков, Базу-ла и др., 1980;). На 8 профилях сейсмического эксперимента «Астра» выполнены детальные работы с использованием специальных взрывов и систем многократного перекрытия (Кашубин, 2002) (рис. 2). При геологической интерпретации данных ГСЗ в большинстве случаев выполнялось моделирование гравитационного поля вдоль профилей (Надежна, 1980). Это позволило более обоснованно и детально подойти к выделению структур в кристаллической коре различного иерархического ранга. При выделении блоков в кристаллической коре, кроме данных ГСЗ и гравиметрии, использовались также результаты магнитовариационных и петрофизических исследований (Груздев, 1988; Афанасьев, 1976; Афанасьев, и др., 2001, 2003).

Рис. 2. Схема рельефа фундамента ВКМ с профилями ГСЗ (Надежка Л.И., Дубянский А.И.)

1 - граница кровли антеклизы; 2 - профиля ГСЗ с пунктами промвзрывов;3 - тектонические нарушения; 4 - изогибсы кровли фундамента в метрах

Комплексный анализ результатов ГСЗ, гравитационного и магнитного полей, электромагнитных и петрофизических данных позволил получить основные характеристики земной коры и верхов мантии Воронежского кристаллического массива. Так верхняя мантия региона неоднородна по скоростным и плотностным характеристикам. Выделяются крупные области разуплотнения в верхах мантии. Переход кора мантия происходит в ряде случаев не резко, наблюдается переходный слой кора-мантия (Тарков, Надвжка, 1989; Чекунов и др., 1992). В целом, мощность земной коры в регионе изменяется от 38 км до 50 км.

В кристаллической коре с разной степенью достоверности установлены границы, на которых происходит скачок скорости продольных волн (\/р) и плотности (о) или смена характера изменения этих параметров с глубиной. Границы разделяют кристаллическую кору, условно на три основных слоя: гранито-гнейсовый, со скоростью 5.86.4 км/с, плотностью - от 2.65 г/см3 до 2.75 г/см3, мощностью 14-27 км образован породами гранит-мигматит-гнейсового ряда, диоритовый (мощность от 5 до 15 км, скорость от 6.40 до 6.85 км/с, плотность от 2.79 г/см до 2.94 г/см3) и метабазитовый характеризуется высокими пластовыми скоростями (7.00-7.55 км/с), и плотностями (3.00-3.20г/смэ) (средняя мощность примерно 10 км). Гранито-гнейсовый слой по ряду критериев подразделяется на верхний, мощность которого варьирует от 3 до 7 км и нижний (Дубянский, 1984; Надежка Л.И., Дубянский А.И., 1998, Надежна, Гзншафт и др., 2004). Достаточная изученность литосферы ВКМ позволила построить схему типов земной коры, основанную на соотношении мощностей гранитного, диоритового и бази-тового слоев. Для анализа использовалось отношение мощностей каждого слоя к общей мощности коры, т.е. определялись условные коэффициенты гранитоидности (а), диоритовости (р) и базальтоидности (у) (Надвжка и др., 1998).

Вывод ко второй главе: Литосфера ВКМ гетерогенна по латерали и расслоена по вертикали. В структуре земной коры выделяются несколько границ раздела: осадочный чехол - кристаллический фундамент, граница Мохо и внутрикоровые границы, разделяющие её на три основных слоя, мощность которых варьирует по латерали. Эти данные позволили выделить 7 основных типов земной коры. В структуре эрозионного среза фундамента выделяются три основные структуры: мегаблоки КМА, Хоперский и разделяющая их ЛШЗ. Структуры различаются вещественным составом и степенью раздробленности земной коры. В осадочном чехле выделяются две крупные неотектонические структуры, отличающиеся режимом геодинамического развития: Среднерусская возвышенность и Окско-Донская впадина.

В третьей главе: «Сейсмичность территории ВКМ» проанализированы особенности проявлений сейсмичности на территории ВКМ по косвенным и историческим данным. Показано, что территория региона не является асейсмичной. Об этом же свидетельствуют результаты инструментальных наблюдений, полученные в период с 1998-2010 гг.

Изучая платформенную сейсмичность в рамках подготовки карты общего сейсмического районирования (ОСР) территории России, различные исследователи на мелкомасштабных картах выделяют в пределах ВКМ зоны повышенной сейсмической активности (Уломов, 1987, 1992, 1998). По результатам анализа неотектонических из-гибных деформаций и экспертных оценок восточная часть ВКМ характеризуется Мта* 5.0-5.4 (Грачев и др., 1990, 1995, 1996). На основе применения внерегионально-го сейсмотектонического метода оценки сейсмической опасности на изучаемой территории выделены зоны ВОЗ с магнитудой от 3.0 до 5.0 (Рейснер, 1980; Рейснер, Иоган-сон, 1993, 1994). В настоящее время для оценки степени сейсмической опасности используется комплект карт под редакцией В.И. Уломова. Комплект карт ОСР-97 позволяет оценивать степень сейсмической опасности для объектов разных сроков эксплуа-

тации и категорий ответственности на трех уровнях, отражающих расчетную интенсивность сейсмических сотрясений в баллах шкалы МСК-64, ожидаемых на данной площади с заданной вероятностью в течение определенного интервала времени (в данном случае 50 лет) (Уломав, 1993, 1995, 1999). На карте ОСР-97С восточная часть ВКМ характеризуется фоновой сейсмичностью 6 баллов.

Первые инструментальные данные о сейсмичности ВКМ были получены Ю.Ф. Копничевым, который в течение ряда лет работал на сейсмостанции «Тихий Дон» (1983-1990 гг.). В настоящее время в регионе функционирует двухуровневая сеть сейсмических станций, состоящая из 7 цифровых и одной аналоговой станций (рис. 3). Сейсмостанции региональной сети оснащены двумя типами сейсмометров СМЗ-КВ и СМЗ-ОС, что позволяет регистрировать сейсмические события в широком диапазоне частот (от 0.02 до 20 Гц).

Чувствительность региональной сети сейсмических станций к местным событиям относительно низких энергетических классов оценена на основе анализа сейсмических событий, зарегистрированных разными станциями в течение 10 лет. На рис. 4 представлена зависимость класса регистрируемого события от расстояния. Класс событий определялся по номограмме, рассчитанной Т.Г. Раутиан.

Как видно из рис. 4, сейсмические станции могут регистрировать события со второго энергетического класса и выше. Учитывая, что максимальные расстояния между региональными сейсмическими станциями 200 км, уверенная регистрация сейсмических событий региональной сетью станций начинается с 6 класса.

На территории Воронежского кристаллического массива в разное время произошло несколько достаточно сильных тектонических землетрясений. Те из них, которые произошли в прошлых столетиях и в прошлые годы, когда в регионе не было инструментальных наблюдений, отражены в изданиях (Новый каталог, 1977; Никонов, 1999; Никонов и др., 2001). События настоящего времени зафиксированы Воронежской сетью сейсмологических станций ГС РАН и Воронежского госуниверситета. Всего за период с 1998 г. по ноябрь 2010 г, зарегистрировано 487 местных землетрясений 2-11 энергетического классов.

Наряду с низкомагнитудными землетрясениями на территории ВКМ происходят и относительно сильные землетрясения. Так 31 марта 2000 г. произошло Никольское землетрясение с магнитудой 3.8. Эпицентр находился на расстоянии порядка 20 км от г. Калач в краевой части Калач-Эртильского блока и приурочен к Новохоперскому разлому (Надежка Л.И. и др., 2001, 2002, 2010). Землетрясение было зарегистрировано рядом зарубежных сейсмических станций, а также работающими в то время тремя станциями Воронежской сети. Такое землетрясение является довольно редким явлением на платформе.

Рис. 3. Схема расположения сейсмических станций локальной и региональной сети Воронежского региона

1-4 - разломы различных ранаое в кристаллическом фундаменте; 5 - сейсмические станции

1 10 100 1000 км

Рис.4. Экспериментальная зависимость класса регистрируемого события от расстояния

На рис. 5 показана классическая запись 1 составляющей волновой формы землетрясения 9.2 энергетического класса, которое произошло 22 ноября 2009 года в районе г. Купянск. Отмечается максимальный уровень амплитуд в диапазоне частот 310 Гц. В целом, можно отметить, что в волновых формах записей местных землетрясений, происходящих в литосфере ВКМ, наиболее представлены относительно высокочастотные составляющие в диапазоне частот 3-10 Гц.

Волн.форм 288 Зем-ние 22/11/2009 20:43:07 Купянск 37.61 N ЗОЕ Кр 9.2 \ZORD (Я=165 км, Азимут от эпицентра = 45.26°

Ми^«»*»1»**»»»' ч ■ ■

ю о -10

ю о -ю

20:4315

VSR (R=180 км, Азимут от эпицентра = 36.85°) ..................... . -

А1)А1 ^=187 км, Азимут от эпицентра = 37,80°) 1

0.1

140 20:45:45

Рис. 5. Волновые формы и спектральный состав записи вертикальной составляющей тектонического землетрясения.(1) и фона (2)

Следует заметить, что как правило, происходят верхнекоровые землетрясения с глубиной очага 6 и менее км. Исключение составляют Никольское (Л = 8 км) и Купян-ское (Л = 30 км) землетрясения. Наиболее представительными являются землетрясения 7-9 энергетических классов. Временное распределение количества землетрясений и выделившейся при этом сейсмической энергии представлено на рис. 6. Анализ его показал, что наиболее значимые величины выделившейся сейсмической энергии наблюдались в 2000, 2004, и в 2007 годах. Периоды 2001-2003 гг., 2005-2006 гг. и 20082010 гг. характеризуются минимумом выделившейся сейсмической энергии, т.е. наблюдается ритмичность во временном распределении сейсмической энергии для территории ВКМ. Периоды ритмов составляют порядка 2-3 года.

В последние годы наблюдается период относительного сейсмического затишья. Заметим, что исследование временного распределения исторических землетрясений показало, что как для Восточно-Европейской платформы, так и для В КМ также характерна ритмичность в проявлении сейсмической активности. 20-30 летний интервал относительно повышенной сейсмической активности сменяются 50-60 годами относительного ее спада.

Вывод к третьей главе: территория Воронежского кристаллического массива как по косвенным, так и по историческим данным не является асейсмичной. Это подтверждается результатами сейсмического мониторинга. Прослеживается ритмичность (период 2 года) во временном распределении выделившийся сейсмической энергии. И хотя период наблюдения (1998-2010 гг.) небольшой, зарегистрировано значительное количество землетрясений 6 и более высокого энергетических классов. Зарегистрированная сейсмичность является отражением активных тектонических процессов, происходящих в литосфере платформенного региона.

В четвертой главе «Анализ геофизических, геологических и сейсмологических данных с целью определения информативных признаков выделения геоди-намически активных зон» дано сопоставление пространственного положения эпицентров землетрясений и особенностей структуры геофизических полей и строения земной коры (от дневной поверхности до верхов мантии).

Геофизические поля, как известно, отражают структурные особенности, вещественный состав и физические свойства различных глубинных горизонтов литосферы. Дифференцированность литосферы обусловливает дифференцированность геофизических полей, образование в их структуре характерных элементов, отражающих различные по масштабу контрастные или диффузные физико-геологические неоднородности. На границе как тех, так и других могут возникать напряжения, разрядка которых может приводить к землетрясениям. В этой связи, геофизические поля во многих работах (Бугаев, 1999; Рейснер, 1991, 1993; Блинова, 2003; Макаров, 2007) используются в качестве признаков для выделения геодинамически активных зон.

Магнитное поле. Региональный фон магнитного поля ЛТа ВКМ в основном отрицательный со средним уровнем интенсивности от -200 до -400 нТл. На этом фоне по линии Белгород-Курск-Брянск выделяется самая большая по размерам региональная положительная магнитная аномалия с интенсивностью от 100 до 1000 нТл - Курская магнитная аномалия. В южной части эта аномалия представляет собой широкую (до 100 км) полосу, сужающуюся в северо-западном направлении. В районе г. Брянска и к северу от него региональная аномалия распадается на отдельные максимумы, постепенно утрачивая четкость своих очертаний. Максимальная интенсивность региональной аномалии (до 4000 нТл) наблюдается в районе г. Белгород. Региональные минимумы, сопровождающие положительную магнитную аномалию, по-видимому, обусловлены нижней кромкой магнитных масс.

Рис. 6. Распределение количества землетрясений и энергии по годам для ВКМ и ближайшей территории

Картину магнитного поля центральной части ВКМ (КМА), в значительной степени осложняют локальные полосовые магнитные аномалии высокой интенсивности (от десятков до сотен тысяч нТл), образующие две зоны - юго-западную и северо-восточную. При всей сложности конфигурации полосовых аномалий они имеют преобладающее северо-западное простирание (320-330°с3), которое сменяется на субмеридиональное к северу от 52°с.ш.

В центральной части региона ближе к востоку картируется в-образная полосовая положительная магнитная аномалия интенсивностью 200-400 нТл, общая протяженность которой достигает 300 км при ширине от 20 до 30 км. В пределах Хоперского мегаблока на фоне отрицательного регионального магнитного поля с интенсивностью от -200 до -300 нТл выделяется субмеридиональная (Э45°СЗ) региональная аномалия слабой интенсивности (от -100 до +100 нТл). Ширина аномалии от 25 до 40 км, протяженность 350 км.

Сопоставление пространственного распределения эпицентров землетрясений и особенностей магнитного поля позволяет сделать важный вывод - в целом, пространственное положение эпицентров землетрясений находит отражение в региональном распределении вариаций магнитного поля, Значительная часть эпицентров землетрясений приурочена к краевым частям как региональных, так и локальных магнитных аномалий. Обращает на себя внимание тот факт, что в пределах Хоперского мегаблока, характеризующегося, в целом, отрицательным магнитным полем, большинство эпицентров приурочено к региональной слабоинтенсивной аномалии субмеридионального направления, имеющей глубинную природу. Липецко-Елецкая зона повышенной сейсмической активности приурочена к региональной области смены интенсивности магнитного поля. Следует особо отметить приуроченность большого числа эпицентров землетрясений к зоне перегиба положительной магнитной аномалии.

Гравитационное поле. Аномальное поле силы тяжести ВКМ, как видно на рис. 7, обнаруживает зональное строение, выражающееся в чередовании крупных отрицательных и положительных аномальных зон. Выделяются Северо-Западная (Могилёв-ская) и Центральная (Курская) - отрицательные, Западная (Брянская) и Восточная (Воро-нежско-Волгоградская) -положительные аномалии (аномальные зоны). Они под углом ориентированы к оси Воронежской антеклизы, и только Курская региональная аномалия, осложнённая на севере и юге гравитационным эффектом ав-лакогенов, имеет в этих частях простирание, со-

Рис. 7. Схема гравитационного поля ВКМ (Надежка, 1980) гласное с бортами ан-

1 -эпицентры землетрясений с Краб

теклизы.

Переход региональных аномальных зон друг в друга осуществляется через различные по ширине полосы интенсивных горизонтальных градиентов, осложнённых рядом положительных и отрицательных гравитационных аномалий. Каждая из аномальных зон обнаруживает сложное строение, обусловленное различным сочетанием локальных элементов поля разного знака и интенсивности (рис. 7).

Сопоставление в наиболее освещенной сейсмологическими исследованиями части территории ВКМ пространственного распределения эпицентров землетрясений и особенностей гравитационного поля показало, что значительная часть их приурочена к зоне сочленения Курской и Восточной аномальных зон, характеризующейся региональным градиентом поля силы тяжести. Некоторое количество эпицентров приурочено к северному борту Россошанско-Саратовской аномалии. Более детальный анализ особенностей гравитационного поля и пространственного положения эпицентров землетрясений показал хорошее их соответствие друг другу. Многие эпицентры землетрясений тяготеют к краевым частям локальных аномалий. Особый интерес представляет анализ корреляции изостатических аномалий и пространственного положения эпицентров землетрясений. Подавляющее число эпицентров приурочено к зонам градиентов изостатических аномалий, что можно использовать для выделения сейсмически активных структур.

В целом, эпицентры землетрясений приурочены, как правило, к характерным особенностям гравитационного поля - зонам региональных и локальных градиентов аномального гравитационного поля и изостатических аномалий.

Электрическое сопротивление пород эрозионного среза докембрия ВКМ. По распределению электрического сопротивления территория неоднородна. Восточная часть региона (территория Хоперского блока), характеризуется в целом низкими значениями электрического сопротивления. Наиболее высоким уровнем электрического сопротивления характеризуется центральная часть (более 3000 Омм). Распределение электрического сопротивления в юго-западной части изучаемой территории дифференцировано, выделяются локальные области повышенных значений (более 3000 Омм) на фоне значений 500-1000 Омм.

Сопоставление распределения пространственного положения эпицентров землетрясений и распределения электрического сопротивления показало, что в целом эпицентры землетрясений тяготеют к локальным областям пониженного электрического сопротивления пород эрозионного среза докембрия.

Резюмируя сказанное, можно отметить, что эпицентры землетрясений в большинстве тяготеют к особенностям геофизических полей: градиентным зонам как региональным, так и локальным, к зонам повышенной интенсивности магнитного поля и аномалиям пониженного уровня электрического сопротивления пород фундамента.

Анализ пространственного распределения эпицентров землетрясений и особенностей геологического строения. Рельеф дневной поверхности, анализируемой территории определяется двумя крупными неоген-четвертичными структурами Среднерусской возвышенностью и Окско-Донской впадиной. Эти структуры в разной степени осложнены разного рода геоморфологическими особенностями, в том числе и линеаментами различной протяженности и направленности (Раскатов, 1969, 1972; Старухин, 1973; Трегуб, 2002; Надежка, Ежова, 2007).

Сопоставление геоморфологических особенностей рельефа дневной поверхности и пространственное распределение эпицентров землетрясений свидетельствует о том, что эпицентры землетрясений тяготеют к линеаментам в рельефе или к зонам повышенной изрезанности земной поверхности. Значительная часть эпицентров землетрясений приурочена к элементам неотектонических структур (рис. 8).

Блоки фундамента и штампо-вые структуры неоген-четвертичного структурно-вещественного комплек-

са: Смоленский меваблок (1 -поднятия; 2 -депрессии); Днел-рово-Донецкий мегаблок (3 -поднятия; 4 - структурные террасы; 5 - депрессии); Среднерусский мегаблок (6 - поднятия; 7 - структурные террасы; 8 - депрессии); Окско-Донской мегаблок (9 - поднятия; 10 -структурные террасы; 11 - депрессии); Приволжский мегаблок (12 - поднятия; 13 - структурные террасы; 14 - депрессии); границы: 15 - Воронежского кристаллического массива; 16- ме-11 габлоков фундамента; 17 - блоков второго ранга; 18 - блоков третьего ранга; 19 - эпицентры землетрясений.

Рис. 8. Схема соотношений элементов неотектонической структуры (Трегуб А.И., 2002) и эпицентров землетрясений территории ВКМ

Анализируя связь современной сейсмичности ВКМ с геологическим строением эрозионного среза докембрия, можно отметить, что значительное число эпицентров землетрясений концентрируется на отдельных участках разломов, образуя "пятна" пространственно приуроченные к тектоническим узлам (рис. 9). Одно из таких явных сгущений приурочено к границе Курского мегаблока и Лосевской шовной зоны на участке характерного Э - образного изгиба. Другое сгущение эпицентров отмечено в северной части Курского мегаблока и Лосевской шовной зоны и приурочено к субширотному разлому.

Рис. 9. Схема основных разломов на поверхности пород докембрия и эпицентры землетрясений, зарегистрированных в 20032009 гг.

1- разломы различного ранга;

2 - эпицентры исторических землетрясений (А.А.Никонов [Каталог тектонических.... 1999]) |

3 - эпицентры землетрясений 6 и выше энергетический класс

я»

#Г4осквгг~

^'.Московский авлакоган

Смолонак

На рис. 9 наблюдаются также цепочки эпицентров, приуроченные к разломам различного простирания. К примеру, целый ряд землетрясений в Хоперском мегаблоке тяготеет к зоне близмеридионально ориентированного разлома. Приуроченность землетрясений к древним глубинным разломам фундамента может быть вызвана их активизацией в настоящее время на отдельных фрагментах.

Сопоставление пространственного распределения эпицентров местных землетрясений, с типами земной коры (рис. 10) показывает, что четкой связи между этими характеристиками не отмечается. Однако наибольшее количество эпицентров землетрясений приурочено к узкой сложно построенной зоне, разделяющей два блока с гра-нитоидной корой, представленной подтипами 1.4 и 1.5. В этой зоне отмечается чередование небольших блоков с различными подтипами грано-диоритовой (2.4), грано-базитовай (4.4), грано-диорит- базитовой (6.5) и метабазитовой (7.3) коры.

Рис. 10. Схема типов земной коры Воронежского кристаллического массива по геофизическим данным (Надежна Л.И. и др., 1998)

Типы земной коры: 1 - гра-нитоидный; 2 - гранито-диоритовый; 3 - диоритовый;

4 - гранито-базитовый;

5 - диорито-базитовый;

6 - зранито-диорито-базитовый;

7 - метабазитовый;

8 - границы геоблоков; номера с 1.1 по 7.3 соответствуют подтипам земной коры.

9 - эпицентры землетрясений 6 и выше энергетический класс

Другой областью повышенной концентрации эпицентров землетрясений является метабазитовый блок (7.1), расположенный в северной части Восточного геоблока. К подтипу 7.2, который выделяется в южной части рассматриваемого геоблока, также приурочены сейсмические события, которые располагаются по переферии метабази-тового блока (рис. 10). Небольшое количество эпицентров землетрясений отмечается в центральных частях блоков с различными типами коры.

Сопоставляя в плане пространственное положение эпицентров и особенностей строения низов коры - верхов мантии, отметим, что значительная часть эпицентров приурочена к зоне сочленения крупных литосферных геоблоков: Курского и Восточного. Многие эпицентры землетрясений приурочены к градиентам поверхности Мохо (рис. 11).

Северная дугообразная область повышенной плотности эпицентров землетрясений приурочено к борту зоны пониженной плотности в верхах мантии. Эта неоднородность контролирует зону сочленения Курского и Восточного геоблоков.

Из рис. 11 видно, что к зоне сочленения этих блоков приурочено значительное число эпицентров на всем протяжении зоны. Значительное количество землетрясений расположено также межаномальной зоне верхов мантии. Возможно, взаимодействие неоднородностей разного знака и приводит к повышенной активности этой части региона.

Рис. 11. Глубинные неоднородности литосферы ВКМ (Надежна Л. И. и др., 1989)

1 - границы геоблоков;

2 - изолинии поверхности Мохо (км);

3 - эпицентры землетрясений 6 и выше энергетический класс

Для количественного выявления наиболее информативных признаков выполнено описание эпицентральных зон каждого землетрясения системой признаков: зоны градиента, локальные аномалии, смена морфологических особенностей и оси простирания аномалий гравитационного поля; зоны повышенных горизонтальных градиентов изостатических аномалий; интенсивность, морфологические особенности и оси простирания аномалий магнитного поля; зоны пониженного удельного сопротивления пород эрозионного среза докембрия; зоны сочленение крупных неотектонических структур; тектонические нарушения испытавшие фанерозойскую активизацию; локальные структуры в рельефе фундамента; разломы фундамента; границы структур с различными физическими свойствами в эрозионном срезе докембрия; смена типов земной коры; градиент в рельефе поверхности Мохо; сочленение литосферных блоков; плотностные неоднородности верхов мантии.

В результате анализа установлено, что 75% эпицентров землетрясений тяготеют к тектоническим нарушениям разного ранга в эрозионном срезе фундамента. Почти 70% эпицентров землетрясений приурочены к тектоническим нарушениям, испытавшим фанерозойскую активизацию. Более 60% эпицентральных зон землетрясений приурочены к зонам градиентов изостатических аномалий, осям простирания гравитационного и магнитного полей, зонам пониженного электрического сопротивления, к зонам сочленения неотектонических структур, локальным структурам эрозионного среза фундамента, градиентным зонам поверхности Мохо. В целом, фактически все признаки характеризуют более 50% эпицентров землетрясений.

Выводы к четвертой главе: В результате совместного анализа пространственного положения эпицентров землетрясений, геофизических полей, геологического строения литосферы (от земной поверхности до верхов мантии), тектонических нарушений были выявлены наиболее информативные признаки выделения геодинамически активных зон в условиях Воронежского кристаллического массива, к которым можно отнести:

- тектонические нарушения докембрийского фундамента; -тектонические нарушения, испытавшие фанерозойскую активизацию;

- зоны смены интенсивности магнитного поля и оси простирания магнитных аномалий;

- зоны пониженного удельного сопротивления пород эрозионного среза докембрия;

- зоны градиентов и оси простирания аномального гравитационного поля;

- контрастные по плотности объекты в кристаллическом фундаменте;

- зоны градиентов рельефа поверхности Мохо;

- зоны сочленения крупных неотектонических структур;

- смена типов земной коры;

- плотностные неоднородности верхов мантии.

Пятая глава: «Геодинамически активные зоны различных иерархических уровней»

Указанные признаки выявлены при анализе геолого-геофизических и сейсмологических данных в пределах восточной части ВКМ. Она рассматривалась в качестве эталонной. В дальнейшем выявленные признаки распространялись на всю территорию Воронежского кристаллического массива. Это позволило в целом в литосфере ВКМ выделить три типа геодинамически активных зон: транслитосферные, транскоровые и внутрикоровые (рис. 12).

1 - граница представительных данных по неотектонике; типы геодинамически активных зон:

2 - транлитосферные; 3 - транскоровые; 4 - внутрикоровые;5 - зоны, коррелируемые с неотектоническими; 6 - зоны активных неоген-четвертичных движений и проявлений современной сейсмичности; 7 - эпицентры землетрясений 1998-2010 гг. (с Кр=6 и более)

Транслитосферные геодинамически активные зоны разграничивают крупные литосферные блоки, отличающиеся строением не только осадочного чехла и эрозионного среза докембрия, но и глубоких горизонтов земной коры и уходящие корнями в верхи мантии. Эти зоны, разграничивают Курский, Восточный и Брянский геоблоки. В наиболее освещенной сейсмическими исследованиями восточной части ВКМ к этим зонам приурочена значительная часть эпицентров современных землетрясений.

Зоны следующего порядка, разграничивающие геологические структуры, различающиеся структурно-вещественными и физическими характеристиками от уровня эрозионного среза докембрия до низов коры, которые находят отражение в неоген-четвертичной геодинамике - транскоровые.

Третий тип геодинамически активных зон - внутрикоровые, разграничивают блоки с различным строением осадочного чехла и петрофизическими характеристиками верхней части кристаллической коры. В большинстве своем, пространственно они соответствуют разломам 3го - 4го рангов, выделенным в эрозионном срезе докембрия. Они формируют внутрикоровую структурную делимость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе систематизированы, обобщены и проанализированы геофизические и геологические данные о строении и тектонике осадочного чехла, эрозионного среза докембрия, земной коры, в целом, и отдельных её горизонтов, а также верхов мантии Воронежского кристаллического массива. Показано, что литосфера региона вертикально расслоена и латерально неоднородна. Она представляет собой иерархически упорядоченную систему блоков различных размеров и глубинности.

По историческим данным о землетрясениях и косвенным оценкам территория ВКМ не является асейсмичной. Анализ большого объема данных сейсмического мониторинга территории Воронежского кристаллического массива за период с 1998 г. по настоящее время показал, что на исследуемой территории происходят локальные землетрясения. Наиболее представительными являются землетрясения 6-9 энергетических классов, их зарегистрировано более 300. Примерно половина зарегистрированных за 12-ти летний период землетрясений имеет глубину очага до 5 км. Наиболее глубокофокусным является землетрясение (М=3.8), которое произошло в Хоперском мегабло-ке 31.03.2000 г. Глубина очага составила 8 км.

Выявлены пространственно-временные закономерности сейсмической активности. Показана ритмичность временного распределения выделившейся сейсмической энергии с периодом примерно 2 года. Годы повышенных значений выделившейся сейсмической энергии сменяются годами сейсмического затишья.

Сопоставление пространственного распределения эпицентров землетрясений и особенностей геофизических полей показало, что значительная часть эпицентров тяготеет к градиентным зонам гравитационного и магнитного полей, а также к зонам смены знака геопотенциальных полей. Отмечается приуроченность эпицентров землетрясений к областям повышенных значений магнитного поля и к локальным областям пониженного электрического сопротивления, к зонам упорядоченных локальных аномалий геофизических полей.

Установлено, что основная часть эпицентров землетрясений приурочена к структурно-вещественным неоднородностям литосферы разной глубины. Так, значительная их часть пространственно тяготеет к зонам сочленения неотектонических структур, наследующих, в ряде случаев, структурный план эрозионного среза докембрия. Выявлено, что разломы фундамента или их фрагменты, разделяющие по-разному развивающие блоки, испытывают современную активизацию, о чем свидетельствуют землетрясения, эпицентры которых их картируют. Зоны смены типов земной коры, градиентные зоны поверхности Мохо коррелируют с пространственным положением эпицентров землетрясений. Приуроченность значительной части эпицентров землетрясений к не-

однородностям верхов мантии и глубинным горизонтам земной коры может свидетельствовать, о глубинной природе процессов приводящих к землетрясениям.

Итак, совместный анализ геологических, геофизических и сейсмологических данных позволил определить наиболее информативные признаки выделения геодинамически активных зон: тектонические нарушения докембрийского фундамента; тектонические нарушения испытавшие фанерозойскую активность; зоны смены интенсивности магнитного поля и оси простирания аномалий магнитного поля; зоны пониженного удельного сопротивления пород эрозионного среза докембрия; зоны градиентов и оси простирания аномального гравитационного поля; контрастные по плотности объекты в кристаллическом фундаменте; зоны градиентов рельефа поверхности Мохо; зоны сочленения крупных неотектонических структур; смена типов земной коры; плотностные неоднородности верхов мантии.

Используя эти признаки, выделены геодинамически активные зоны трех типов: транслитосферные, транскоровые и внутрикоровые. Транслитосферные геодинамически активные зоны являются зонами сочленения структур первого порядка, которые отличаются историей геологического развития, строением, составом и физическими характеристиками от уровня эрозионного среза докембрия и до верхов мантии. Транскоровые геодинамически активные зоны разграничивают крупные структуры, отличающиеся геологическим строением эрозионного среза докембрия, мощностью земной коры и отдельных её слоев, плотностными и скоростными характеристиками. К этим зонам, в основном приурочены разломы 1ra-2m порядка в эрозионном срезе докембрия. Внутрикоровые геодинамически активные зоны формируют внутрикоровую структурную делимость.

Таким образом, выполненные исследования показали, что территория Воронежского кристаллического массива, являющегося основанием одноименной антеклизы -одной из крупнейших структур Восточно-Европейской платформы, не является сейсмически пассивной. За последние 12 лет зарегистрировано более 300 землетрясений 610 энергетических классов, В проявлениях сейсмического процесса имеются определенные пространственно-временные закономерности. Выявлена временная ритмичность сейсмической активности и показано, что пространственные проявления сейсмичности можно описать иерархически упорядоченной системой геодинамически активных зон.

Полученные результаты, безусловно, не решают в полной мере проблему современной геодинамической и сейсмической активности территории Воронежского кристаллического массива, они являются только первым шагом в этом направлении, но являются важными при исследованиях сейсмических процессов и геодинамики литосферы платформенных регионов.

СПИСОК РАБОТ

1. Надежка Л.И., Сафронич И.Н., Пивоваров С.П., Ефременко М.А. Сейсмические волновые процессы в нелинейной и неоднородной континентальной литосфере// Волновые процессы в неоднородных и нелинейных средах: Материалы семинаров науч.-образоват. центра,-

2003,- С. 275-293.

2. Надежка Л.И., Орлов P.A., Пивоваров С.П., Сафронич И.Н., Ефременко М.А. О связи параметров сейсмического шума с геологическими и геодинамическими особенностями ВКМ// Вестн. ВГУ. Сер. Геология,- 2003.- №2.- С. 179-185.

3. Надежка Л.И., Сафронич И.Н., Пивоваров С.П., Ефременко М.А,, Сорокин Б.А. Современные сейсмические процессы в земной коре ВКМ: материалы международ, конф.// Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде северных регионов:- Архангельск,

2004,- С. 96-100.

4. Надежка Л.И., Сафронич И.Н., Пивоваров С.П., Ефременко М.А., Орлов P.A., Сизаск И.А. Некоторые характеристики микросейсмического поля платформенной литосферы (на примере ВКМ)// Волновые процессы в неоднородных и нелинейных средах: материалы семинаров.- Воронеж, 2004,- С. 173-189.

5. Надежка Л.И., Сафронич И.Н., Пивоваров С.П., Ефременко М.А., Семенов А.Е., Сорокин Б.А. Воронежский кристаллический массив// Землетрясения северной Евразии в 1998 году,-Обнинск, 2004-С. 117-124.

6. Ефременко М.А. Характер микросейсмического поля Восточной части Воронежского кристаллического массива// Четвертая Уральская молодежная научная школа по геофизике: сб. учеб.-науч. материалов,- Пермь, 2003.- С. 41-46.

7. Надежа Л.И., Сафронич И.Н., Пивоваров С.П., Ефременко М.А., Золототрубова Э.И. Воронежский кристаллический массив// Землетрясения Северной Евразии - 2003: сб. науч. тр. - Обнинск, 2009 .- С. 217-221.- ISSN 1818-6254

8. Ефременко М.А. Характер микросейсмического шума в зонах крупных глубинных разломов кристаллической коры ВКМ// Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология: материалы междунар. конф., посвящ. 90-летию ВГУ,- Воронеж, 2008,- С. 84-86.

9. Ефременко М.А., Семенов А.Е. Особенности микросейсмического шума в зоне сочленения Среднерусской антеклизы и Окско-Донской впадины// Десятая Уральская молодежная научная школа по геофизике: сб. науч. материалов - Пермь, 2009 - С. 82-87.

10. Ежова И.Т., Ефременко М.А., Трегуб А.И. Сейсмическая активность и неотектоника Воронежского кристаллического массива// Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Геология - Воронеж, 2010,- № 1,- С. 229-232,- ISSN 0234-5439.- ISSN 1609-0691

11. Надежка Л.И., Пивоваров С.П., Ефременко М.А., Семенов А.Е. О землетрясениях на территории Воронежского кристаллического массива// Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Геология - Воронеж, 2010 - № 1,- С. 233-242,- ISSN 0234-5439.- ISSN 1609-0691

12. Ефременко М.А., Рогожин Е.А. Геофизические поля и землетрясения на территории Воронежского кристаллического массива// Геофизические исследования - 2010,- Т. 11.- №3.- С. 57-72.

13. Надежка Л. И., Ефременко М.А., Сафронич И.Н. Особенности записи телесейсмических событий региональной Воронежской сетью// Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных: материалы 5-й междунар. сейсмологической шк., Владикавказ.-Обнинск, 2010.-С. 120-124.

14. Надежка Л.И., Ефременко М.А., Рогожин Е.А., Семенов А.Е. О возможных причинах локальных землетрясений на территории Воронежского кристаллического массива// Структура, свойства, динамика и минерагения литосферы Восточно-Европейской платформы: материалы XVI Междунар. конф,- Воронеж, 2010.- Т. 2,- С. 73-77 - ISSN 978-5-98222-673-0.

15. Пивоваров P.C., Ефременко М.А., Семенов А.Е. Особенность характера записи сейсмических событий в зависимости от района размещения сейсмической станции// XI Уральская молодежная научная школа по геофизике: сб. докл.- Екатеринбург, 2010.- С. 179-181.

16. Ипполитов О.М., Надежка Л.И., Ефременко М.А. Некоторые замечания о соотношении структурных элементов трансформированного поля тяжести и пространственного положения эпицентров землетрясений на территории ВКМ// Структура, свойства, динамика и минерагения литосферы Восточно-Европейской платформы: материалы XVI междунар. конф,- Воронеж, 2010.-Т. 1.-С. 312-316.

17. Надежа Л.И., Ефременко М.А., Пивоваров С.П., Семенов А.Е. Геодинамически активные зоны Воронежского кристаллического массива// Строительство и техногенная безопасность: сб. научных трудов,- Симферополь, 2011.- Выпуск 35.- С. 46-50.

Работы [10,11,12] опубликованы в изданиях рекомендованных перечнем ВАК РФ

Ефременко Марина Алексеевна Современные геодинамически активные зоны Воронежского кристаллического массива по геологическим, геофизическим и сейсмологическим данным Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата геол.-минерал. наук

Подписано в печать 20.10.2011 Формат 60x90/16. Усл. печ.л. 1. Тираж 100 экз. Отпечатано в Учреждении Российской академии наук Геофизическая служба РАН

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Ефременко, Марина Алексеевна

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГЕОДИНАМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЗОНАХ ПЛАТФОРМЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИЧЕСКОМ СТРОЕНИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ ВОРОНЕЖСКОГО КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАССИВА (ОТ ДНЕВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДО ВЕРХНЕЙ МАНТИИ) х

2.1 Геоморфология и строение осадочного чехла

2.2 Неотектоника территории ВКМ

2.3. Строение кристаллического фундамента на уровне эрозионного среза

2.4. Строение кристаллической коры и верхов мантии

3 СЕЙСМИЧНОСТЬ. ТЕРРИТОРИИ ВКМ

3.1 Исторические землетрясения и сейсмичность по косвенным данным

3.2 Характеристика резульгатовинстру ментальных наблюдений «Тихий Дон»

3.3 Сеть сейсмических станций ВК1УГ

3.4 Сейсмическая активность территории ВКМ за 1998-2010 гг

4 АНАЛИЗ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ, ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И

СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ИНФОРМАТИВНЫХ ПРИЗНАКОВ ВЫДЕЛЕНИЯ

ГЕОДИНАМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ЗОН

4.1 Анализ корреляции пространственногораспределения эпицентров землетрясений и геофизических полей

4.2 Анализ пространственного распределения эпицентров землетрясений и особенностей геологического строения

4.3 Анализ связи пространственного распределения эпицентров землетрясений и особенностей глубинного строения

5 ГЕОДИНАМИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ЗОНЫ РАЗЛИЧНЫХ

ИЕРАРХИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Современные геодинамически активные зоны Воронежского кристаллического массива по геологическим, геофизическим и сейсмологическим данным"

Работа по теме «Современные геодинамически активные зоны ВКМ по геологическим, геофизическим и сейсмологическим данным» выполнена в Учреждении Российской академии наук - Лаборатории сейсмического мониторинга Воронежского кристаллического массива Геофизической службы Российской академии наук (ЛСМ ВКМ ГС РАН) в результате изучения причинно-следственных связей сейсмичности с геолого-геофизическими характеристиками региона, особенностями его глубинного строения; и динамикой новейших внутриплитных структур.

Актуальность работы

Изучение динамического состояния и современной? сейсмической активности земной коры центральной части Восточно-Европейской платформы, к которой относится и Воронежский, кристаллический массив, является, одним из актуальных направлений в области наук о Земле.

Это обусловлено необходимостью обеспечения- сейсмической безопасности этой территории, так как, с одной стороны, она не является сейсмически; пассивной; как показали инструментальные наблюдения последних лет, с другой, здесь развита мощная промышленная инфраструктура, размещены объекты повышенного экологического риска (АЭС, химкомбинаты, продуктопроводы, объекты спецназначения и т.п.) и отмечается высокая плотность населения. Положение осложняется; ещё и тем," что многие функционирующие объекты исчерпали, срок службы, однако сроки их эксплуатации продлеваются, планируется строительство новых АЭС.

В этой связи, районирование территории Воронежского кристаллического массива по степени современной геодинамической активности является весьма актуальным вопросом, так как позволит получить новую важную информацию о состоянии литосферы региона, которая может служить основой для оценки степени сейсмической опасности платформенной территории и сейсмических рисков, связанных с природными факторами.

В настоящее время территория Воронежского кристаллического массива (ВКМ) хорошо изучена геологическими и геофизическими методами разной масштабности. В течение более 10 лет системой сейсмических станций ведется сейсмический мониторинг, накоплен большой фактический сейсмологический материал. Большой объем геологических, геофизических и сейсмологических данных является хорошей основой для выработки методики выделения геодинамически активных зон в платформенной литосфере и картирования этих зон в пределах ВКМ.

Цель работы состоит в выделении геодинамически активных зон на территории Воронежского кристаллического массива по геолого-геофизическим и сейсмологическим данным.

Реализация поставленной цели предусматривает решение следующих задач:

- сбор, систематизация и анализ геологических и геофизических данных о строении земной коры и верхов мантии ВКМ;

- анализ современной сейсмической активности региона;

- выявление связи характера современной сейсмической активности геофизических полей; геолого-геофизических неоднородностей земной коры и верхов мантии. Определение информативных признаков выделения геодинамически активных зон.

- построение схемы геодинамически активных зон территории ВКМ.

Научная новизна работы

- показано на основе анализа результатов сейсмического мониторинга, что территория Воронежского кристаллического массива не является асейсмичной. Изучены пространственно-временные и энергетические закономерности современной сейсмичности ВКМ;

- выявлены связи неоднородностей геофизических полей и пространственного распределения эпицентров землетрясений; показано, что значительная часть эпицентров землетрясений приурочена к структурно-вещественным неоднородностям литосферы разной глубинности;

-разработана система признаков выделения геодинамически активных зон. Впервые на территории ВКМ выделены геодинамически активные зоны трёх типов: транслитосферные, транскоровые и внутрикоровые.

Защищаемые положения

1. Результаты сейсмического мониторинга свидетельствуют, что территория Воронежского кристаллического массива не является асейсмичной. За последние 12 лет в его пределах зарегистрировано более 300 мелкофокусных землетрясений 6-10 энергетических классов. Сейсмический" процесс имеет ритмичный характер во времени.

2. Пространственное положение эпицентров землетрясений коррелируется с особенностями геофизических полей и структурно-вещественными неоднородностями-литосферы разной глубинности.

3. На основе обобщения и анализа- большого объема геологических, геофизических и сейсмологических данных выявлены наиболее информативные признаки выделения геодинамически активных зон, в условиях Воронежского-кристаллического массива.

4. Используя эти признаки на территории Воронежского кристаллического массива, выделены три основных типа геодинамически активных зон: транслитосферные, транскоровые и внутрикоровые, разграничивающие блоки различных иерархических уровней и отражающие характер современных сейсмотектонических процессов в литосфере ВКМ.

Связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами. Работа выполнена в рамках программы научных исследований Геофизической службы РАН в 2005-2010 гг., грантов РФФИ (01-05-97405-р98цчр, 05-05-96406-рцчра, 06-05-96302-рцентра, 08-05-90427-Укра) и проекта КЕв-ОЮ.

Фактический материал и методы исследования. Результаты исследования базировались на фондовых и опубликованных материалах различных авторов о геологическом строении Воронежского кристаллического массива различными исследователями, начиная с 1957 г. Использовались схемы и карты геофизических полей различного масштаба, разрезы земной коры, отображающие глубинное геологическое строение земной коры и верхов мантии.

Использовались данные по сейсмическому мониторингу полученные в лаборатории СМ ВКМ в период с 1998 года по настоящее время. Обработка информации осуществлялась при помощи комплекса программ ("Система обработки сейсмических данных программы WSG), разработанного и используемого в работе Геофизической службы РАН (ГС РАН).

Личный вклад автора. Путем анализа каталогов местных землетрясений автором выявлены основные особенности волновых форм местных землетрясений, пространственно-временные и энергетические закономерности сейсмической активности территории ВКМ за период 1998-2010 гг.

Автором работы выполнен комплексный анализ геологических, геофизических данных и результатов сейсмического мониторинга, на основе которого выработана система признаков выделения геодинамически активных зон в литосфере ВКМ. Построена схема геодинамически активных зон, отражающая основные особенности современного состояния недр Воронежского кристаллического массива.

Практическая ценность. Результаты представляются важными при исследованиях сейсмических процессов и геодинамики литосферы платформенных регионов. В прикладных работах они приобретают первостепенное значение при оценке сейсмической опасности и могут использоваться при составлении карт детального сейсмического районирования.

Апробация. Результаты работы докладывались на IV, VII, X, XI, XII заседаниях Уральской молодежной научной школы по геофизике «Современные проблемы геофизики» (г.Пермь, 2003, 2009, 2011 гг.; г.Екатеринбург, 2006, 2010 гг.); на Казахстано-российской международной конференции «Геодинамические, сейсмологические и геофизические основы прогноза землетрясений и оценки сейсмического риска» (г. Алматы, 2005 г.); на XII международной конференции «Активные геологические и геофизические процессы в литосфере. Методы, средства и результаты изучения» (г. Воронеж, 2006 г.); на Международной конференции «Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология» (г. Воронеж, 2008); на 4-ой международной сейсмологической школе «Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных» (г. Листвянка, 2009 г.); на Международной конференции «Современные проблемы сейсмологии, гидрогеологии и инженерной геологии» (г. Ташкент, 2010 г.); на XVI международной конференции «Свойства, структура, динамика и минерагения литосферы Восточно-Европейской платформы» (г. Воронеж, 2010 г.); на Международной, научной конференции «Геодинамика, сейсмическая опасность, сейсмостойкость сооружений» (г. Алушта, 2011 г.)

Основные результаты работы были доложены и обсуждались на семинарах Лаборатории сейсмического мониторинга ВКМ (г. Воронеж) и на ученых советах Геофизической службы РАН.

Работа выполнена под руководством доктора геол.-мин. наук Евгения Александровича Рогожина, которому автор выражает глубокую признательность и благодарность. Автор выражает глубокую признательность член-корр. РАН Чернышову Н.М. за постоянное внимание к работе и поддержку, член-корр. РАН Маловичко A.A. за ценные замечания и рекомендации в процессе подготовки работы. Автор искренно благодарит канд. геол.-минерал, наук, зав. лабораторией СМ ВКМ НадежкаЛ.И. за ценные советы и помощь на всех стадиях подготовки диссертации. Автор выражает благодарность доктору геол.-минерал. наук Трегубу А.И. за проявленный интерес и обсуждение отдельных разделов, Сафроничу И.Н. за участие в оформлении графического материала. Искренне благодарна коллегам Пивоварову С.П., Орлову P.A., Дубянскому А.И., Золототрубовой Э.И., Ипполитову О.М. за внимание и поддержку. Автор выражает благодарность коллегам по работе за отзывчивость и поддержку в ходе подготовки работы.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК.

Структура работы, диссертация состоит из введения, 5 глав основной части и заключения. Объем работы 133 страницы, 46 рисунков, 5 таблиц. Список использованных источников включает 148 наименования.