Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Структура и состояние вещества литосферы Центрального Тянь-Шаня

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Структура и состояние вещества литосферы Центрального Тянь-Шаня"

На правах рукописи

БАТАЛЕВ Владислав Юрьевич

СТРУКТУРА И СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА ЛИТОСФЕРЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ (по данным глубинных магнитотеллурических зондирований)

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Новосибирск 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки (ФГБУН) Научной станции РАН в г. Бишкеке

Официальные оппоненты:

Скляров Евгений Викторович, доктор геолого-минералогических наук, член-корреспондент РАН, профессор, главный научный сотрудник ФГБУН Института земной коры Сибирского отделения РАН (ИЗК СО РАН, г. Иркутск)

Ковтун Аида Андреевна, доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник кафедры физики Земли Санкт-Петербургского государственного университета, г. Санкт-Петербург,

Мороз Юрий Федорович, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией ФГБУН Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН (ИВС ДВО РАН г. Петропавловск-Камчатский)

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, центр геоэлектромагнитных исследований (ЦГЭМИ ИФЗ РАН, г. Троицк)

Защита состоится 03 апреля 2014 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.068.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения РАН, по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга, 3, в конференц-зале. Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу:

630090, Новосибирск, пр-т Акад. Коптюга, 3, ИНГГ СО РАН; Факс: (383) 333-25-13, 330-28-07; E-mail: NevedrovaNN@ipgg.sbras.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГГ СО РАН. Автореферат разослан 25 декабря 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.г.-м.н., доцент

H.H. Неведрова

РОССИЙСКАЯ ГОСуТАРСГВЬННАЯ БИБЛИОТЕКА 2014

Общая характеристика работы Актуальность темы. Магнитотеллурические зондирования (МТЗ), использующие в качестве источника вариации естественного электромагнитного поля, являются одним из наиболее доступных, экологически чистых и эффективных методов изучения структуры земной коры и верхней мантии. Результаты интерпретации магнитотеллурических (МТ) данных позволяют получать информацию о распределении электропроводности литосферы, характеризовать флюидный и температурный режимы, а также реологию геологической среды. Глубинные электромагнитные методы являются неотъемлемой частью геофизического комплекса, применяемого при исследованиях глубинного строения Земли. В последние десятилетия достигнут значительный прогресс в области электромагнитных методов зондирования, как в создании аппаратуры и в развитии программ инверсии данных [Fox, 2001; Варенцов, 2005; Мартьппко, 1994], так и в углублённом исследовании комплексных электромагнитных параметров и процессов электропроводности для диэлектриков и полупроводников, [Эпов и др., 2009; Кацура и др., 2009; Selway, 2012], что и явилось основой рассматриваемой работы. К настоящему моменту для территории Центрального Тянь-Шаня выделен коровый проводящий слой [Баталев и др., 1993; Трапезников и др., 1997; Рыбин, 2001], определены электромагнитные параметры крупнейших разломных зон [Баталев, 2002; Баталева, 200S; Рыбин, 2011], обнаружен эффект вытеснения поперечного тока [Баталев, 2002], выделены закономерности в соотношении распределения гипоцентров землетрясений и проводящих объектов в верхней части коры [Зубович и др., 2001]. Большой объем работ выполнен в ходе адаптации методики проведения и интерпретации данных электромагнитных зондирований в горных условиях [Трапезников и др., 1997; Рыбин, 2001, 2011; Баталев, 2002; Sokolova et al., 2008, 2010].

Несмотря на значительные успехи в развитии методики обработки и количественной интерпретации МТ-данных, до сих пор остается целый ряд нерешенных проблем. К наиболее важным относятся проблемы, связанные с геологической интерпретацией геоэлектрических моделей. В этом направлении очень перспективными представляются петрофизические исследования, поскольку создание структурно-вещественных моделей земной коры и верхней мантии является завершающим этапом изучения глубинного строения. Они существенно расширяют знания как о современных геодинамических процессах и явлениях, происходящих на больших глубинах, так и о палеопроцессах и вносят значительный вклад в решение фундаментальных проблем изучения эволюционного развития Земли. Определяющими параметрами

при создании петрофизических моделей являются электрические и скоростные характеристики образцов пород из глубинных комплексов, вынесенных на земную поверхность. При этом предполагается, что глубинные горизонты земной коры могут быть представлены массивами тех пород, которые выносятся на поверхность земной коры базальтами в виде ксенолитов. Построенные в настоящее время петрофизические модели, в основном, являются вероятностными. Отличительной особенностью данной работы является то, что для геологической интерпретации геоэлектрической модели зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня используются результаты петрологических анализов и лабораторных измерений ксенолитов, отобранных непосредственно в регионе исследований.

Объект исследования - распределение электрических параметров в земной коре и верхней мантии и их взаимосвязь с геодинамическими процессами и состоянием вещества литосферы Центрального Тянь-Шаня.

Цель работы - построение структурно-вещественной модели литосферы Центрального Тянь-Шаня на основе изучения закономерностей распределения электропроводности, скоростей сейсмических волн и глубинных температур в сопоставлении с экспериментальными результатами измерений на образцах глубинных ксенолитов.

Основные задачи исследований:

1. Определить особенности глубинного геоэлектрического строения Центрального Тянь-Шаня вдоль серии региональных профилей.

2. Построить структурно-вещественную модель литосферы зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня с использованием методики петрологической интерпретации на основе экспериментальных измерений электропроводности и скоростных свойств образцов глубинных ксенолитов, их вещественного состава и геотермического моделирования.

3. Определить закономерности поведения электропроводности и скоростей упругих волн для образцов ксенолитов на основе экспериментальных исследований при РТ- условиях нижней коры и верхней мантии.

4. Разработать геотермическую модель литосферы Тянь-Шаня вдоль профиля по 76°в.д.

5. Определить состояние вещества и вещественный состав разреза литосферы Центрального Тянь-Шаня на основе сопоставления геоэлектрических и скоростных характеристик среды с данными лабораторных исследований образцов ксенолитов и сейсмичностью.

Фактический материал и методы исследования. В основу диссертации положены результаты комплексных геофизических

исследований по международным проектам «Геодинамика Тянь-Шаня», «MANAS» и «TIPAGE». Объем МТ/МВ-данных за период 1982-2012 гг., выполненных на территории Центрального Тянь-Шаня, составил более 900 зондирований. Метод МТЗ, который является базовым в настоящей работе, основан на изучении вариаций естественного электромагнитного поля Земли. Зондирования выполнялись в диапазоне периодов от 0.003 до 16000 сек с использованием новейших технологий и аппаратуры. Для обработки МТ-данных применялось стандартное программное обеспечение для станций EMI, LIMS и Phoenix MTU-5. Количественная интерпретация выполнена в программном комплексе GEOTOOLS. В работе приводятся результаты изучения ксенолитов, отобранных из выходов базальтов Ортосуу. Геохимические исследования минералов из ксенолитов проведены в Аналитическом центре ИГМ СО РАН. Для определения условий равновесия минеральных фаз использовались геотермометры и геобарометры [Brey, Kohler, 1990; Harley, 1984; Nimis, 1999; Sachtleben, Seck, 1981 и др.]. Лабораторные измерения физических свойств ксенолитов выполнены во Франкфуртском университете им. Й.В. Гёте, под руководством проф. Н. Багдасарова. Определение концентрации НгО в номинально безводных минералах методом ИК-спеюроскопии - в лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН.

Защищаемые результаты:

1. Основными элементами глубинной геоэлектрической структуры Центрального Тянь-Шаня являются:

• Наклонные и субвертикальные проводящие тела, имеющие форму листрических разломов и соответствующие тектоническим нарушениям, шовным зонам и границам микроконтинентов.

• Высокоомные коровые объекты, составляющие Иссык-Кульский микроконтинент, локализованные в верхней части земной коры.

• Коровый проводящий слой с глубиной залегания 20-40 км и удельным сопротивлением 30-100 Ом м.

• Электропроводящие объекты литосферной мантии (80-110 км), находящиеся в зонах субдукции и эклогитизации океанической коры Туркестанского и Джунгаро-Балхашского бассейнов.

2. Разработана методика петрологической интерпретации, основанная на сопоставлении геоэлектрической модели с петрофизическими исследованиями образцов глубинных пород, анализа их вещественного состава и геотермического моделирования, с применением которой выделены области распространения эклогитов, лерцолитов и гранулитов в разрезе Центрального Тянь-Шаня.

3. По результатам петрофизических измерений нижнекоровых

и верхнемантийных ксенолитов, отобранных непосредственно в регионе исследований, установлен тип электропроводности и показано отсутствие частичного расплава в литосферной мантии Центрального Тянь-Шаня.

4. Двумерная тепловая модель литосферы Тянь-Шаня по геотраверсу "ЫАКУЫ", построенная с учетом данных по тепловому потоку в донных осадках оз. Иссык-Куль, характеризуется распределением температур близких к среднему значению для континентов и согласуется с глубиной залегания поверхности Кюри. Температура палеоповерхности Мохо (70 млн лет), определенная по результатам термобарометрии, на 100°С выше, чем для современной границы Мохо, а глубина её залегания на 20 км ближе к поверхности.

5. На основании анализа корреляции аномалий электропроводности и сейсмических скоростей выведены основные положения структурно-вещественной модели литосферы Центрального Тянь-Шаня и проведена оценка состояния вещества и присутствия флюида:

• Верхняя часть земной коры, в которой реализуется сейсмический процесс, свидетельствующий о её «жесткости», характеризуется положительными аномалиями скоростей Ур и высокими значениями электросопротивления.

• Коровый проводящий слой Центрального Тянь-Шаня состоит из проводящих объектов листрической формы, разделяющих высоко-омные блоки земной коры. Его совпадение с отрицательными аномалиями скоростей продольных сейсмических волн (Ур) указывает на флюидную природу коровых геоэлектрических и сейсмических аномалий.

• Электропроводящие объекты, расположенные в литосферной мантии Центрального Тянь-Шаня на глубинах 80-110 км и интерпретируемые как массивы эклогитов и эклогитоподобных пород соответствуют положительным аномалиями скоростей Ур.

Научная новизна работы:

1. На основе сопоставления геоэлектрических моделей, построенных вдоль 74°в.д. и 76°в.д., с геолого-тектоническими схемами и разрезами выделены проводящие объекты, соответствующие границам Иссык-Кульского микроконтинента и Атбашинской аккреционно-коллизионной зоны, северные клинья которой обнаружены в геоэлектрическом разрезе Малонарынского профиля.

2. Для территории Центрального Тянь-Шаня, с учетом новых данных по тепловому потоку в западной части оз. Иссык-Куль [Вермееш и др., 2004], создана двумерная тепловая модель. Реконструкция тепловой эволюции зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня выполнена при сопоставлении тепловой модели с результатами термобарометрии ксенолитов.

3. Впервые для интерпретации геофизических данных использованы результаты петрофизических и геохимических исследований ксенолитов глубинных пород непосредственно с места проведения натурных экспериментов.

4. Впервые получены диаграммы Аррениуса для электропроводности «сухих» гранулитовых и лерцолитовых ксенолитов и эклогитов Южного Тянь-Шаня и определено содержание Н2О в оливине из лерцолитов Ортосуу методом ПК-спектроскопии.

5. Установлено, что для зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня остывание литосферы сопутствовало увеличению глубины залегания поверхности Мохо, за период -70 млн лет температура на границе Мохо уменьшилась на ~100°С, глубина залегания увеличилась на 20 км.

Личный вклад. Основные результаты диссертационного исследования получены лично автором или при его непосредственном участии в Научной станции в г. Бишкеке РАН (НС РАН). Автором самостоятельно выполнены основные этапы работ, включая полевые наблюдения, обработку и анализ данных, а также их последующую интерпретацию. Для работы с экспериментальными данными диссертантом был разработан ряд программ: «FieldViewer» в системе С++ Builder 6.0 - для визуализации результатов трехмерного моделирования Randy-Mackie, большое количество утилит в табличном редакторе MS Excel для расчета функций отклика и их трансформант, вычисления и визуализации инвариантов тензора импеданса Бердичевского Zm,

кажущейся фазы ф, фазового тензора и нормы ||W|| матрицы Визе-

Паркинсона и др. Практические рекомендации по совместной инверсии МТ/МВ-зондирований, разработанные совместно с коллегами, легли в основу методики трехуровневой инверсии, которая успешно используется при проведении МТ-исследований в НС РАН. На основе предложенного для синтетических моделей М.Н.Бердичевским метода псевдорельефов, автором реализован новый подход к качественной интерпретации площадных МТ-наблюдений по Центральному Тянь-Шаню, обеспечивающий визуализацию геоэлектрической структуры региона. Принципиальное значение имеет вклад автора в развитие методики интерпретации геофизических данных в зоне сочленения Тянь-Шаня и Тарима - от обнаружения выходов базальтов Ортосуу и отбора коллекции образцов ксенолитов, проведения лабораторных экспериментов по исследованию электрических и скоростных характеристик глубинных горных пород до построения геофизических моделей (геотермической и геоэлектрической) и их комплексной интерпретации. В совместных работах автор был либо инициатором и непосредственным исполнителем, либо руководителем проводимых исследований.

Теоретическое и практическое значение. Результаты диссертационного исследования расширяют и углубляют теоретические представления о вещественном составе и структуре земной коры и верхней мантии, о природе электропроводности и тепловой эволюции Тянь-Шаньского орогена. Получены результаты, многие из которых представляют собой новые знания о глубинной структуре Тянь-Шаня: построена геотермальная модель через Тянь-Шань; выделены структурные элементы в геоэлектрических разрезах, подтверждающие существующие геодинамические концепции [Dobretcov et al., 1996; Buslov et al., 2003; Gao, Klemd, 2003 и др.]. Результаты изучения распределения сейсмичности на территории Центрального Тянь-Шаня свидетельствуют о ярко выраженной приуроченности гипоцентров землетрясений к высокоомным блокам геоэлектрической модели, что может быть использовано при сейсморайонировании региона.

Применение нового подхода к интерпретации геофизических материалов, основанного на сопоставлении геоэлектрической модели с петрофизическими исследованиями образцов глубинных пород, является основой для построения структурно-вещественных моделей земной коры и верхней мантии. Такие модели могут быть использованы при характеристике глубинного строения литосферы, для выяснения причин металлогении активных зон в земной коре, флюидного режима формирования месторождений полезных ископаемых. Методика трёхуровневой МВ-инверсии, в разработке и адаптации которой автор принимал самое непосредственное участие, используется различными группами ученых при исследовании Памира и Тибета.

Связь работы с научными проектами. Работа проводилась согласно планам НИР Научной станции РАН. Выполненные исследования были поддержаны грантами РФФИ (04-05-64970, 04-05-65103, 07-0500594, 08-05-00875, 10-05-00572, 11-05-00840, 11-05-12042, 12-05-10042) и Минобрнауки РФ (госконтракты №02.515.12.5001, №02.740.11.0730, соглашение №8670) и проектом DFG (GZ:BA1443\18-1 AOBJ:562885).

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования, изложенные в диссертации, были представлены в более чем 70 докладах на различных крупных международных и всероссийских совещаниях, таких как Тектоническое совещание (Новосибирск, 2004; Москва, 2001, 2005, 2006, 2007, 2008, 2010, 2012, 2013); «Problems of Geocosmos» (Санкт-Петербург, 2000, 2004, 2010, 2012); Всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли (Москва, 2005; Звенигород, 2007; Санкт-Петербург, 2011; Новосибирск, 2013); Первом-пятом международных симпозиумах по проблемам геодинамики и геоэкологии высокогорных регионов (Бишкек, 2000, 2002, 2005, 2008,

2011); The 23rd General Assembly of the IUGG (Sapporo, Japan, 2003); The 1st General Assembly European Geosciences Union (Nice, France, 2004); The 6th Workshop of Asia-Pacific Space Geodynamics Program ICC (Jeju, Korea 2006); The 19th Workshop, IAGA WG 1.2 on Electromagnetic Induction in the Earth (Beijing, China, 2008); The 11th Scientific Assembly IAGA (Sopron, Hungary, 2009); The International Workshop in memory of Mark N. Berdichevsky and Peter Weidelt «Electromagnetic soundings: theory and applications» (Moscow, 2010); Генеральной Европейской Ассамблее по геологическим наукам (EGU) (Vienna, Austria, 2004, 2009, 2010, 2011); The 21st EM Induction Workshop (Darwin, Australia, 2012); The 1st International workshop on geodynamic evolution of the Central Asian orogenic belt (St. Petersburg, 2012) и др.

По теме диссертации опубликовано 117 научных работ, из которых 30 статей в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в Перечень ВАК Минобрнауки России, 2 - коллективные монографии, 9 -статьи в международных рецензируемых журналах, 52 - материалы международных конференций, симпозиумов, совещаний и др.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 351 наименований. Объем диссертации составляет 282 страницы, включая 107 рисунков и 4 таблицы.

Благодарности. Диссертация посвящается светлой памяти Юрия Андреевича Трапезникова, Марка Наумовича Бердичевского и Владимира Ивановича Макарова, под руководством которых была получена большая часть представленных результатов. Без их дружеской и бескорыстной поддержки данная работа была бы просто невозможна.

Автор выражает особую благодарность академику Добрецову H.JI. за неоценимые консультации в выработке общей концепции работы и постоянный интерес к творческим работам диссертанта. Считаю своим долгом выразить благодарность академику НАН Киргизской Республики Бакирову А.Б. за предоставленные консультации. За моральную поддержку, ценные советы, а также за предоставленную возможность и помощь в получении результатов ИК-спектроскопии искренне признателен Пальянову Ю.Н. Автор выражает огромную благодарность Буслову М.М., за содействие в организации полевых работ и всестороннюю поддержку. Автор выражает свою глубокую благодарность проф. Н. Багдасарову за методические разработки для проведения лабораторных экспериментов и предоставленные возможности их реализовать. Неоценимую помощь при отборе образцов ксенолитов на выходах базальтов Ортосуу и в проведении аналитических работ по определению состава минералов оказала Егорова В.В., весьма полезными были консультации сотрудников ИГМ СО РАН Симонова В.А.,

Литасова Ю.Д. Автор выражает особую благодарность Варенцову Ив.М, Соколовой Е.Ю. и Пушкареву П.Ю. за многолетний интерес к исследованиям, поддержку и совместные работы по развитию методики интерпретации МТ данных в горных условиях. Автор считает приятным долгом выразить глубокую признательность Зейгарнику В.А. и Щелочкову Г.Г. за всестороннюю поддержку инициативных исследований. Искреннюю благодарность хочется выразить Братину В.Д., Погребному В.Н., Неведровой H.H. и Баталевой Е.А. за оптимизм, преданность общему делу и моральную поддержку. Качество работы во многом улучшилось благодаря полезным и конструктивным замечаниям научного консультанта - Рыбина А.К. Автор искренне благодарен коллегам из лаборатории, в которой он работал более тридцати лет, за помощь в сборе полевого материала, разделение романтики и трудностей экспедиционных будней - Матюкову Е.К., Лосихину Л.Н., Матюкову В.Е., Пазникову В.А., Петрову П.П., Тимонину Г.Н., Черненко Д.Е.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении поставлены цели и задачи, обоснована актуальность исследования, перечислены выносимые на защиту результаты, определены научная новизна, теоретическая и практическая ценность работы.

Глава 1. Краткая геолого-геофизическая характеристика изученности Тянь-Шаня

Современные геологические представления о глубинном строении Земли базируются на геофизических (магнитотеллурических и сейсмических) данных о распределении физических свойств, на изучении магм глубинной генерации, нижнекоровых и мантийных ксенолитов, вынесенных на поверхность щелочными базальтоидами или кимберлитами. Ксенолиты глубинных пород содержат достоверную информацию о составе нижней коры и верхней мантии. Щелочные базальты могут встречаться в различных геологических обстановках, в том числе и во внутриконтинентальных орогенах, каковым и является Тянь-Шань (рис. 1).

В первой главе представлен общий обзор геологического строения и геофизической изученности, дана краткая характеристика проявлений базальтового магматизма Центрального Тянь-Шаня и рассмотрены основные геодинамические модели образования Тянь-Шаня.

Анализ геологического строения и геофизической изученности (региональной геоэлектрической изученности, распределения теплового потока, различных сейсмотомографических моделей, положения границы Мохо) свидетельствует о том, что геофизические и геологические методы исследований нуждаются в более детальных сведениях о распределении

физических свойств в земной коре и верхней мантии. Для повышения информативности и надежности геофизических моделей необходимо применение более детальных глубинных структурных методов и развитие новых направлений исследований, в том числе рассмотрение различных аспектов изучения базальтового магматизма, включая данные по глубинной геоэлектрике, сейсмической томографии и лабораторным экспериментам при высоких РТ-условиях.

При сопоставлении результатов сейсмотомографии выявлены аномальные объекты, являющиеся общими для всех моделей [Сабитова и др., 2009; Кои1акоу, 2011; 1л й а1., 2009], при этом обращает на себя внимание частичное отсутствие согласованности между ними. Возможно, что несоответствия в скоростных моделях, получаемых по различным методикам и по разным наборам данных, возникают не только из-за особенностей применяемых методов, но и вследствие эффектов азимутальной сейсмической анизотропии в земной коре и верхней мантии.

В данной главе рассмотрены особенности проявления мезо-кайнозойского базальтового магматизма Центрального Тянь-Шаня, особое внимание обращалось на присутствие и сохранность ксенолитов в выходах базальтов, их минералогический состав и возрастные датировки. Столь пристальный интерес к нижнекоровым ксенолитам обусловлен стремлением получить дополнительную информацию о положении границы Мохо и составе вещества вблизи нее. Отсутствие выходов гранулитовых комплексов на территории Центрального Тянь-Шаня ограничивало возможности исследования состава и физических свойств нижней коры. Вместе с тем, наличие в выходах базальтов на участке Ортосуу ксенолитов, в которых установлено присутствие гранулитов и шпинелевых лерцолитов, позволяет определить положение границы Мохо.

Одним из важнейших вопросов современной геодинамики Тянь-Шаня является вопрос о причинах возникновения этого грандиозного горного пояса вдали от зоны коллизии Индо-Австралийской и Евразийской литосферных плит. При этом, несмотря на достаточно хорошую геолого-геофизическую изученность, существуют значительные разногласия в понимании природы новейшего горообразования Тянь-Шаня в целом. В настоящее время не существует единой точки зрения на ведущие механизмы формирования действующих в регионе геодинамических режимов. В частности, несмотря на активные геологические и геофизические исследования внутриконтинентального орогена и его окружения, остро стоит вопрос о конкретных механизмах горообразования. Вместе с тем, распределение электрических параметров в среде связано с ее структурными особенностями, вещественным составом и физическим состоянием, а информация о поведении

электрических свойств среды является основой представлений о глубинном строении и составе нижней коры и верхней мантии Центрального Тянь-Шаня. На наш взгляд, именно сочетание результатов глубинных электромагнитных и сейсмических зондирований, сейсмотомо1рафии, всесторонние исследования ксенолитов, вынесенных базальтовыми магмами на поверхность, построение новой тепловой модели позволит получить дополнительную информацию о состоянии вещества на глубинах нижней коры и верхней мантии, глубинном флюидном режиме, зонах частичного плавления, а также механизмах электропроводности глубинных слоев литосферы. Кроме того такая информация просто необходима для оценки достоверности геодинамических моделей формирования внутриконтинентального орогена.

Глава 2. Глубинное строение Центрального Тянь-Шаня по данным магиитотеллурических зондирований

В главе рассматриваются особенности комплекса методических подходов к проведению полевых исследований и интерпретации МТ-данных при изучении глубинного строения литосферы Тянь-Шаня. К ним относятся: особенности методики проведения МТ/МВ-зондирований в горных условиях различными типами измерительной аппаратуры; новые подходы к качественной интерпретации электромагнитных данных (метод псевдорельефов) и анализ искажений кривых кажущегося сопротивления; особенности методики количественной интерпретации МТ/МВ-данных при наличии приповерхностных горизонтальных неоднородностей, вызывающих конформное смещение кривых кажущегося сопротивления.

Метод МТЗ отличает широкий диапазон глубин исследования, достаточно большое количество информативных характеристик, высокая эффективность, портативность используемой аппаратуры, относительно низкие затраты на проведение работ и экологическая чистота. Все эти преимущества основаны на использовании в качестве источника возбуждения естественного электромагнитного поля Земли, что обеспечивает широкий спектр зондирующих сигналов и пространственную однородность распространения поля. Вместе с тем, метод МТЗ был разработан для горизонтально-однородных сред и использование его в горных условиях, где заведомо существуют как горизонтальные, так и вертикальные неоднородности, весьма проблематично и требует адаптации методики исследований. Исследования глубинного строения Центрального Тянь-Шаня методом МТЗ было решено начать с территории межгорной Чуйской впадины, как наиболее изученной с точки зрения геологии, имеющей параметрические скважины и находящейся на территории Бишкекского геодинамического

полигона (БГП). В разделе 2.1. рассматриваются реализованные автором методические приемы проведения полевых исследований методом МТЗ в горных условиях Тянь-Шаня [Баталев и др., 1989].

Раздел 2.2. посвящен интерпретации МТ/МВ-данных территории Центрального Тянь-Шаня: Чуйской впадины, где впервые для территории Центрального Тянь-Шаня был обнаружен коровый проводящий слой с интегральной проводимостью 400 См. Увеличение проводимости связывали с флюидами, образовавшимися в процессе дегидратации основных пород, слагающих нижнюю часть земной коры [Баталев и др., 1989]; зоне Таласо-Ферганского разлома (ТФР), основными результатами магнитотеллурических исследований которого стало обнаружение эффекта вытеснения поперечного тока и выделение аномалии электропроводности зоны ТФР, высокоомное ядро которой разделяет коровый проводник на юго-западную и северо-восточную части [Баталев, 2002; Баталев и др., 2003; Баталева, 2005] (рис. 2); результатам и особенностям методики интерпретации региональных профилей [Трапезников и др., 1997].

В разделе 2.3. рассматривается комплекс электромагнитных (МТ/МВ) исследований на геотраверсе NARYN, секущем Центральный Тянь-Шань вдоль меридиана 76°в.д. Электромагнитные зондирования осуществлялись в диапазоне периодов 0.003-16000 с. Основу сети электромагнитных наблюдений на профиле NARYN (рис. 1) заложили 42 зондирования, выполненные с помощью станций ЦЭС-2 и МТ-ПИК (0.1-1600 с) за 1986-1997 гг. Дальнейшему развитию исследований способствовали работы, проводимые в рамках проекта «Геодинамика Тянь-Шаня» совместно с американскими коллегами. В течение 19992000 гг. были выполнены длиннопериодные пятикомпонентные зондирования станциями LIMS (Канада), которые осуществлялись по региональным профилям синхронно в группах по 5, 10 и 4 пункта. В основу объединенного ансамбля входных данных для инверсии легли результаты зондирований ЦЭС-2, МТ-ПИК, а также МТ24 + LIMS и МТ-данные «Phoenix MTU-5».

Построение двумерных геоэлектрических моделей вдоль геотраверса NARYN осуществлялось с использованием различных подходов при решении обратной задачи электромагнитного зондирования, с различным ансамблем исходных данных и разными целями. Модель «NARYN-RLM» была получена в результате выполнения инверсии в классе дискретных сглаженных структур и представляет собой результат параллельной инверсии, включающей одновременно все используемые характеристики магнитотеллурического поля. При этом инвертировались материалы ЦЭС-2, LIMS и МТ-24.

В разделе 2.4. представлено сопоставление двумерных региональных моделей «NARYN» и «NARYN-RLM», полученных с помощью параллельной инверсии [Bielinski et al., 2003] и последовательных частичных инверсий [Рыбин, 2011]. Несмотря на отличия, которые обусловлены, прежде всего, разными целями и подходами к инверсии МТ-данных, в обеих моделях выделены такие принципиально важные геоэлектрические структуры разреза земной коры и верхней мантии Центрального Тянь-Шаня, как зона Линии Николаева и Иссык-Кульский микроконтинент. Для модели [Рыбин, 2011] объем инвертируемых данных существенно увеличен за счет добавления большого количества широкодиапазонных детализационных данных, полученных со станциями Phoenix MTU-5. Результаты глубинных зондирований станциями LIMS составляют основу в инвертируемых ансамблях данных обеих моделей. Соответственно, в модели [Рыбин, 2011] с высокой детальностью выполнено расчленение верхней части разреза и учтено влияние рельефа, а в модели [Bielinski et al., 2003] очень контрастно выделены структуры в нижней коре и верхней мантии. В связи с тем, что основная направленность настоящей диссертационной работы состоит в изучении нижней коры и литосферной мантии, и в меньшей степени верхней части коры и осадочных бассейнов, для дальнейших сопоставлений будет использоваться модель [Bielinski et al., 2003].

Глава 3. Лабораторные исследования ксенолитов и механизмы электропроводности нижнекоровых и верхнемантийных пород Центрального Тянь-Шаня

В разделе 3.1. приводится обзор работ, посвященных геологической интерпретации глубинных геоэлектрических моделей, обзор развития лабораторных измерений электропроводности горных пород и минералов при высоких температурах и давлениях, а также результаты сравнения МТ-наблюдений с данными лабораторных измерений. Использование лабораторных измерений электропроводности горных пород и минералов при высоких температурах и давлениях способствует развитию интерпретации МТ-данных и позволяет получить дополнительную информацию о состоянии вещества и структуре глубинных слоев Земли. Оценки электропроводности, полученные различными способами, формируют важную часть наших представлений о глубинном строении земной коры и верхней мантии. Еще в восьмидесятых годах прошлого столетия по экспериментальным данным (М. Lastovickova, Э.И. Пархоменко и др.) было установлено, что результаты лабораторных измерений на сухих образцах хорошо согласуются с данными МТ-наблюдений для глубин литосферной мантии, но для меньших глубин в этих данных отмечается значительное расхождение.

Для верхнекоровых глубин наилучшее согласование между вертикальными профилями электропроводности, полученными посредством натурных МТ-наблюдений и профилями, построенными на основе результатов лабораторных измерений электропроводности, может быть достигнуто при экспериментальных измерениях образцов керна, сохраняющих свойства разреза. Для глубин выше корового проводника, где трещины и поры в породах заполнены флюидами, электропроводность электролита Oel доминирует по отношению к электропроводности вмещающих пород (матрикса). В таких случаях, электропроводность пород может быть описана законом Арчи (рис. 3), где m - эмпирический показатель степени экспоненты между 1.2 и 2.5 [Will, Nover, 1986]. В более глубинных слоях земной коры и литосферной мантии при температурах в интервале ~ 400-1000°С многие минералы обладают свойствами полупроводников, и поэтому зависимость электропроводности от температуры описывается уравнением Аррениуса (рис. 3), где Ед -энергия активации, к - постоянная Больцмана и о0 - электропроводность при постоянной температуре. Это уравнение используется для интервала глубин литосферной мантии.

Несмотря на то, что был накоплен очень большой объем экспериментальных данных, широкого распространения результаты лабораторных измерений электропроводности при интерпретации геоэлектрических моделей не получили. Причинами этого являются, во-первых, низкая точность лабораторных измерений электропроводности, с учетом которой не представляется возможным разделить глубинные породы по их диаграммам электропроводности от температуры. Во-вторых, распределение значений электросопротивлений в глубинных геоэлектрических моделях часто не соответствовало основополагающим зависимостям электропроводности от температуры для нижнекоровых и верхнемантийных пород. Развитию лабораторных измерений препятствовало и отсутствие разработанных методических требований, ограничений и правил по выбору материалов измерительной ячейки для обеспечения требуемых окислительно-восстановительных условий.

МТ-зондирования представляют данные о распределении электропроводности глубинных слоев литосферы и являются одним из важнейших источников информации для понимания строения, состава и эволюции системы кора - верхняя мантия Земли. Такие параметры, как удельное электрическое сопротивление (р) или суммарная продольная проводимость (S), отражают объемное содержание свободных электрических зарядов в горных породах и являются прямым индикатором их вещественного состава, структуры и термодинамического состояния. Наиболее важными факторами, регулирующими электропроводность

минералов литосферной мантии, являются температура и содержание воды в номинально безводных минералах. Значительно повышают электропроводность и графитовые пленки на границах минеральных зерен. На основании анализа существующих представлений о механизмах электропроводности (раздел 3.2) можно сделать вывод, что имеется несколько основных факторов, под действием которых возникают аномалии электропроводности в литосфере (рис. 4). Ионная проводимость флюидов наблюдается во взаимосвязанных порово-трещинных каналах, заполненных соляным флюидом, и приводит к формированию зон низкого сопротивления в пористых осадочных породах. Этот тип электропроводности возникает на участках средней и верхней коры, где водосодержащий флюид может проникать в зоны, для которых характерно хрупкое разрушение при деформациях или в зонах, где метаморфогенные флюиды высвобождаются в результате активных реакций дегидратации. Ионная электропроводность также может возникнуть в системе взаимосвязанных расплавов.

Высокое содержание железа в магнезиальножелезистых силикатах земной коры может приводить к повышению значений электропроводности. Менее высокое, чем в коре, содержание железа в верхней мантии, соответственно, оказывает незначительное влияние на электропроводность. Графитовые пленки на границах зерен неустойчивы при низком давлении, характерном для нижней - средней коры, и нестабильны при температурах выше ~900°С, соответствующих примерно 100 км глубины для стабильной литосферы. Высокая концентрация водорода в номинально безводных минералах определяет возрастание электропроводности в интервале глубин от средней коры (температуры 200-300°С) до основания литосферной мантии.

Обзор современных работ по лабораторным измерениям электропроводности выявил, что данных по электрическим свойствам минералов и горных пород недостаточно. В настоящее время количество работ по электропроводности флюидов и водонасыщенных материалов очень ограничено. Это вызвано трудностями с осуществлением эксперимента - минимизацией утечки флюидов из камеры во время измерений, особенно при высоких температурах и под давлением, что обозначило необходимость разработки новых устройств для измерения электрических свойств и методик экспериментов. Таким образом, недостающая связь между геоэлектрическими моделями и петрологическими характеристиками глубинных пород обеспечивается лабораторными экспериментами. Есть несколько важных вопросов, с решением которых интерпретация магнитотеллурических данных с использованием результатов лабораторных измерений

электропроводности значительно улучшила наше понимание процессов, происходящих в коре и верхней мантии Земли. Среди таких вопросов находится изучение роли водосодержащих флюидов в мантии Земли. Эти исследования выиграли от не только от усовершенствования методик полевых и лабораторных измерений электропроводности, но и от лабораторных исследований процессов растворимости и диффузии воды (водорода) (Т.С. Лебедев, D.L. Kohlstedt, J.J. Roberts, S. Demouchy, J.A. Tyburczy и др.). Исследования процессов, связанных с диффузией воды (водорода) в кристаллической решетке железомагнезиальных силикатов, внесли существенный вклад в понимание поведения воды в минералах и расплавах. Лабораторные измерения электропроводности в гидратированных минералах и породах (F. Gaillard, D. Wang, A. Pommier и др.) позволили оценить возрастание электропроводности, связанное с наличием воды и привели к уточнению моделей электропроводности гидратированных минералов и расплавов. Противоречивые заключения различных лабораторных экспериментов (D. Wang, T. Yoshino), в частности, по гидратированному оливину, показывают сложность таких измерений, также как и необходимость дальнейших исследований. Эти модели, по крайней мере, сходятся на том, что природные аномалии высокой электропроводности, обнаруженные в некоторых регионах в верхней мантии, не могут быть однозначно объяснены только лишь наличием растворенной воды, таким образом, стимулируя дальнейшие исследования электропроводности других материалов, таких, как гидратированный расплав.

Прямое сравнение данных лабораторных измерений и полевых наблюдений электропроводности коры и верхней мантии является критически важным для надежной интерпретации результатов электромагнитных зондирований. Кроме прямого наложения лабораторных и магнитотеллурических оценок электропроводности, ранее применялся способ сравнения результатов лабораторных измерений и МТ-данных через расчет одномерных теоретических кривых МТЗ, для горизонтально слоистой модели, составленной по результатам геобарометрии и лабораторных оценок электропроводности ксенолитов. Однако сопоставление теоретических одномерных кривых МТЗ с кривыми для реальных двух или трехмерных сред не является корректным и в настоящей работе не рассматривается.

В разделе 3.4. представлены оценки электропроводности мафических и ультрамафических пород в условиях нижней коры и верхней мантии при различных давлениях и температурах, выполненные диссертантом во Франкфуртском университете имени И.В. Гёте в 2009 г.

Электропроводность номинально безводных минералов перидотитовых пород, связанная с процессами диффузии носителей заряда («дырок» и протонов), определяется уравнением Нернста-Эйнштейна и контролируется концентрацией воды (водорода) и железа:

_ Dz1e1n

кТ (1)

где D - коэффициент диффузии, z - валентность проводящих частиц, е чаряд электрона, п - концентрация проводящих частиц, к - постоянная Больцмана и Т - абсолютная температура по Кельвину.

Результаты лабораторных измерений электропроводности сопоставлялись с расчетами для магнезиальножелезистых силикатов в зависимости от относительного содержания железа и от суммарного содержания воды (масс. %), выполняемыми по следующей эмпирической формуле [Wang, 2008]:

где Cw - суммарное содержание воды; R - универсальная газовая постоянная; Т- температура в градусах Кельвина; X - молярное отношение Fe/(Fe+Mg), в нашем случае принятое = 0.15. Расчетная оценка суммарного содержания воды в шпинелевых лерцолитах из базальтов Ортосуу полученная в результате расчетов составила 326 ррт.

Метод импедансной спектроскопии применительно к исследованию электропроводности пород состоит в измерении R-C параметров эквивалентной схемы как функций от Т и Р при переменной частоте у или циклической частоте со=2 я у. Анализ спектра комплексного импеданса (импедансная спектроскопия) позволяет в деталях изучить процесс электропроводности твердых тел при высоких температурах [De Bruin, Franklin, 1981]. По спектру комплексного импеданса определяется не только собственно электропроводность образца, но и его диэлектрическая проницаемость, обеспечивая важную информацию в отношении выделения разных механизмов электропроводности [Roberts, Tyburczy, 1991; Moynihan, 1998]. Измеренный в лабораторных условиях комплексный импеданс, состоящий из реальной Z'(œ) и мнимой компоненты Z"(œ), может быть представлен в виде диаграммы Арганда, (график Z"(o>) в зависимости от Z'(rn)). В параметрической форме комплексный импеданс Z(co) выражается суммой двух или более элементов, где Ri,2 - активное сопротивление, Xi - время релаксации диэлектрика, и а 1,2 - экспонента, характеризующая отклонения частного процесса релаксации от релаксации по Дебаевскому типу:

Z(a>) =-^-г +-^-- + ... (3)

l + O'-fflT,)"1 1 + U-<o-T2)

Первый член в уравнении 2 отвечает за высокочастотную характеристику (>103 Гц), он обычно относится к объемным свойствам тестируемого образца, второй член относится к свойствам границ зерен породообразующих минералов и отражается в промежуточном диапазоне частот. Третий член, который опущен в уравнении 3, описывает характеристики электродов в низкочастотном диапазоне (<1 Гц). После помещения образца в условия высоких давлений и температур на 100 часов и более, влиянием второго члена уравнения 3 (электропроводность вдоль границ зерен) можно пренебречь по сравнению с первым членом (объемная электропроводность). Следующим этапом являлась процедура подбора (fitting) значений сопротивления Ri, времени релаксации диэлектрика ti и постоянного фазового элемента al в уравнении 3, при которых аппроксимация экспериментальной диаграммы Арганда происходит наилучшим образом. Эта процедура выполнялась с помощью программного обеспечения WinDETA и WuiFIT компании Novocontrol.

Из экспериментов, проведенных при переменной температуре, определяются зависимости Ri(T), ti(T) или о(Т) от температуры, выраженной в виде 1/Т, °К (или 1000/ Т, °К), которые обычно называются диаграммами Аррениуса. На этих диаграммах очень наглядно выделяются интервалы температур с различной энергией активации Еа.

с = <*о exP(~7~r) W

кТ

С целью получения устойчивых оценок энергии активации измерения электропроводности выполнялись в максимально широком диапазоне частот(сй) и температур(Т).

Определение комплексного магнитотеллурического импеданса

z = ZxxZxi (5)

ZyxZyy

в пункте наблюдения (г) происходит при решении переопределенной системы уравнений:

^)=ZJ/x(r)+ZJ/y(r) (6)

£,(>■)=Z„Hr(r)+ZiyHv{r)

Магнитотеллурический импеданс обычно представляется в виде кажущихся сопротивлений и фаз -

ж Ж

Рп Лх

0)fh (7)

<pCi=ArgZ„ <р„ = ArgZw

а для определения удельного электросопротивления массивов горных пород в геоэлеюрическом разрезе выполняется инверсия данных МТЗ согласно размерности сети наблюдений: одномерная, двумерная или трехмерная. Сопоставимость результатов лабораторных измерений активного сопротивления на образцах горных пород с удельным сопротивлением глубинных массивов пород определенных при инверсии МТ-данных обуславливается выполнением принципа подобия. Как в природных условиях методом МТЗ, так и методом импедансной спектроскопии в лаборатории, оценки удельной электропроводности для массивов горных пород в геоэлектрическом разрезе и для образцов глубинных пород поучены путем измерения комплексного импеданса. Отношения периодов зондирующих сигналов 0.001 с/1 ООО с и характерных размеров областей зондирования 0.05 м/50000 м составляют 10"6.

Для лабораторных экспериментов использовалась измерительная ячейка, выполненная в форме коаксиального цилиндрического конденсатора (рис. 5). Калибровка ячейки производилась с использованием хлорида цезия, а также при помощи других стандартных материалов (АЬОз, NaCl, и т.д.). Использованная методика лабораторных измерений электропроводности нижнекоровых и верхнемантийных ксенолитов на установке поршень-цилиндр при in situ условиях детально описана в работе [Maumus et al., 2005]. Измерения электропроводности глубинных горных пород выполнялись при давлении до 2 ГПа. Температура экспериментов варьировала от 400°С до 1170°С. Во избежание резкого падения электрического сопротивления, во всех экспериментах, выполненных в данной работе, измерения электропроводности производились до начала плавления.

Лабораторные измерения электропроводности выполнялись на прессе типа поршень-цилиндр. Измерительная ячейка состояла из втулки CaF2 (как среды передающей давление), графитовой втулки нагревательного элемента и молибденовых электродов. Образец располагается в центральной части измерительной ячейки. Во всех экспериментах давление устанавливалось вручную с помощью гидравлического насоса до желаемой величины, затем включался автоматический гидравлический насос для поддержания постоянного давления. Для лабораторных измерений методом импедансной спектроскопии был использован амплитудно-фазовый анализатор импеданса Solartron 1260, пакет программного обеспечения (Novocontrol) которого обеспечивает измерения электрического полного сопротивления в диапазоне частот от 10"3 до 32x106 Гц с максимальным разрешением 10° Гц и ошибкой в Ю-4 в измерениях сдвига фазы.

Образцы перидотитовых и гранулитовых ксенолитов, использованные в лабораторных экспериментах, были отобраны из выходов базальтов Ортосуу, непосредственно вдоль интерпретируемого профиля МТЗ, образцы эклогитов с хребта Ат-Баши [Симонов и др., 2008а] были любезно предоставлены Ф.М. Леоновым. Процесс измерений производился при высоких РТ-условиях, характерных для залегания этих пород в нижней коре и верхней мантии.

Химические составы минералов определялись методом микрозондового анализа (Camebax-micro) в Институте геологии и минералогии СО РАН и в Университете Франкфурта-на-Майне. Концентрации редкоземельных и других микроэлементов (Ва, Rb, Th, U, Nb, Ta, Sr, Hf, Zr, Ti, V, Со, Ni) в клинопироксене определяли методом лазерной абляции и масс-спектрометрии с индукционно связанной плазмой, в Университете И.В. Гёте, Франкфурт-на-Майне. Стандарты из 610 стёкол (National Institute of Standards and Technology) были использованы для калибровки относительной чувствительности элементов при анализе силикатных минералов. Концентрации СаО, полученные методом микрозондового анализа, использовали в качестве внутренних стандартов. Предел определения концентраций был в диапазоне 10-20 ppb.

В лерцолитах из Ортосуу, на основании разницы в их составах, выделены два типа клинопироксенов. Тип 1 представляют примитивные (обогащенные) клинопироксены, с Mg номером 87-90, 6,5-7,8 вес.% AI2O3, 0,5-0,66 вес.% ТЮ2. Состав близок к клинопироксенам из пород примитивной мантии. Тип 2, «истощенные» клинопироксены, с повышенным Mg номером 91-92, содержит низкие концентрации AI2O3 (3,9-4,7 вес.%) и TÍO2 (0,12-0,4 вес.%). Составы клинопироксенов в шпинелевых лерцолитах из Ортосуу варьируют в широком интервале, в сравнении с перидотитами из Тоюна. Однако состав клинопироксенов из Тоюна является сходным как с типом 1, так и с типом 2, с Mg номером 8991, 4.3-6.3 вес.% AI2O3, и 0.1-0.35 вес.% ТЮг. Химические составы минералов из шпинелевых лерцолитов показывают, что эти породы подвергались частичному плавлению. Содержания ТЮг и AI2O3 в пироксенах уменьшаются равномерно с увеличением Mg номера, и составы сосуществующих клинопироксена и шпинели отражают взаимную зависимость Сг-А1 концентраций. Эти вариации составов при качественном сравнении сходны с возникающими при частичном плавлении, описанными для многочисленных ксенолитов по всему миру. По данным электрохимических измерений Юг в шпинели, фугитивность кислорода в верхней мантии Тянь-Шаня оценивается между IW и WM буферами [Кадик, 1995]. Интенсивность влияния Юг характеризуется результатами расчетов электропроводности оливина [Constable, 2006] для

IW и WM буферов в диапазоне температур 600-900°С (рис. 6). Энергия активации суммарной электропроводности и время диэлектрической релаксации в ксенолитах шпинелевых лерцолитов показаны на рисунке 7. На графике зависимости Аррениуса 1п(<т) и 1п(т) от 1/Т,°К при -780 - 800 °С наблюдается перегиб. При высоких температурах (Т > 800 °С) энергия активации о и т составляет ~ 2.00±0.05 эВ, а при Т<800°С энергия активации составляет ~ 1.00±0.05 эВ, что свидетельствует об изменении типа электропроводности.

Измерения скоростей Vp и Vs выполнялись с помощью датчиков Р-волн «Parametrics-NDT», имеющих резонансные частоты 5 и 10 MHz, приемника импульсов «Parametrics-NDT» и NI-аналогово-цифрового преобразователя. Результаты измерений при нормальном давлении и 20°С следующие: в ОС-16 Vp=6.55±0.05 км/с и в ОС-2 Vp=7.55±0.11 км/с. Значения сейсмических скоростей Р-волн наблюдаемых в Южном Тянь-Шане (хр. Кокшаал-Тоо) над современной границей Мохо и под ней, составляют 7.3 и 7.9 км/с, соответственно, что не противоречит результатам лабораторных измерений (Vp=6.5 км/с и Vp=7.5 км/с - над и под границей Мохо). Таким образом, петрологические оценки поверхности Мохо, как границы между гранулитами нижней коры и перидотитами верхней мантии, подтверждаются существованием скачка скорости продольных волн около 1 км/с.

С использованием ультразвуковой установки «Parametrics-NDT» и пересчетом на высокие давления и температуры для указанных образцов глубинных пород были выполнены оценки скоростей упругих волн, что совместно с данными термобарометрии позволяет оценить положение границы Мохо для времени выноса ксенолитов (65-70 млн лет назад). Методом микрозондового анализа определены химические составы минералов, выделены две группы 1ранулитов и две группы шпинелевых лерцолитов. Для шпинелевых лерцолитов выполнена оценка степени частичного плавления (около 7%), свидетельствующая об их существенном прогреве в геологической истории.

Глава 4. Построение двумерной тепловой модели литосферы Центрального Тянь-Шаня

В главе 4 выполнен анализ существующих для территории Центрального Тянь-Шаня данных по тепловому потоку на поверхности, по характеристикам распределения радиогенных источников тепла в земной коре, являющихся основой для расчетов глубинных тепловых моделей. Главными задачами региональных геотермических наблюдений являлись измерение температуры в скважинах, изучение теплофизических характеристик горных пород Тянь-Шаня, расчет радиогенной теплогенерации слоев земной коры, оценка на основе полученных данных

величин теплового потока, его коровой и мантийной составляющих.

Основной вклад в развитие работ, результатами которых стало построение карт распределения теплового потока и оценка мощности литосферы по геотермическим данным, внесли Любимова А.Е., Гордиенко В.В., Завгородняя О.В., Дучков А.Д., Соколова Л.С. и сотрудники Института сейсмологии АН Киргизии под руководством Ю.Г. Щварцмана и Ф.Н. Юдахина. Изучение стабильных изотопов 3Не и 4Не в пробах газа или газо-водяной смеси в водах термальных источников Тянь-Шаня с целью оценки теплового потока методом газовой геохимии проводилось Б.Г. Поляком и А.Д. Дучковым. В условиях Тянь-Шаня, где достаточно много выходов подземных источников и существуют очень большие территории, где нет скважин для геотермических наблюдений, такие работы были особенно актуальны (рис. 8).

Одним из основных факторов, формирующих тепловой поток на поверхности, является распределение радиоактивных элементов в земной коре. В количественных оценках, приведенных в диссертации, используется экспоненциальный закон затухания указанных концентраций с глубиной. Определение содержаний радиоактивных элементов в образцах пород выполнено в лабораториях ВСЕГЕИ (г. Ленинград). Для оценки концентрации урана и тория применен рентгеноспектральный метод. Определение концентрации калия в породах проводилось по содержанию окиси калия, полученного по результатам полного химического анализа, выполненного в Управлении геологии Киргизской ССР. При расчетах теплогенерации было проанализировано 1300 значений концентраций урана и тория и 1100 калия, хотя и не все эти данные были использованы, в связи с сортировкой по торий-урановому отношению.

Конфигурация изотерм модели глубинного распределения температур, по геотраверсу Акгюз - Нарын - Атбаши, построенной Ю.Г. Шварцманом, в основном контролируется распределением теплового потока на дневной поверхности. Однако, получение Вермеешем в 2002 г. данных по донным измерениям теплового потока в западной части акватории оз. Иссык-Куль, согласно которым значения теплового потока оцениваются в среднем около 48.3 мВт/м2, (что ниже предыдущих наблюдений на 15-20 мВт/м2), указало на неточность ранее выполненных наблюдений и вызвало необходимость расчета новой тепловой модели.

Распределение глубинных температур в предложенной нами модели по геотраверсу Актюз - Нарын - Атбаши (вдоль профиля МТЗ) рассчитывалось при подборе расчетного и наблюденного теплового потока на поверхности (рис. 9). В расчетах были использованы данные по интенсивности радиогенных источников тепла для коровой литосферы и коэффициентов теплопроводности пород вдоль глубинных слоев по

рассматриваемому профилю, определенные Ю.Г. Шварцманом, а также скорректированное распределение теплового потока на поверхности. Расчеты тепловой модели выполнялись во Франкфуртском университете с помощью протрамм COMSOL Multiphysics (Femlab).

Положение глубинной геотермы может быть проконтролировано оценкой глубины поверхности Кюри (585°С) по данным магнитных съёмок (рис. 10). Одним из авторитетных источников такой информации является карта глубин поверхности Кюри по всему земному шару [Artemieva, 2006]. Кроме того, оценки положения поверхности Кюри для исследуемого участка (Южный Тянь-Шань) на основе обработки данных аэромагнитной съёмки выполнены сотрудниками Института сейсмологии HAH КР В.Н. Погребным и В. В. Гребенниковой (рис. 10). Данные по глубине залегания поверхности Кюри подтверждают правильность положения современной геотермы 60 мВт/м2.

Температуры равновесия для мантийных и коровых ксенолитов определены с использованием следующих геотермометров: «Са в ортопироксене», двупироксенового [Wells, 1977] и шпинель-ортопироксенового [Sachtleben, Seek, 1981]. Температуры равновесия, полученные для шпинелевых лерцолитов с помощью термометра «Са в клинопироксене», варьируют от 1015°С до 1070°С для типа 1, и от 860°С до 910°С для лерцолитов типа 2, при давлении 1.5 ГПа. Термометр Вэллса показал интервалы температур от 960°до 1066°С для лерцолитов типа 1 и 912°-960°С для типа 2. Эти оценки находятся в пределах погрешности метода (±70°С). Температуры, рассчитанные двупироксеновым и шпинель-ортопироксеновым геотермометрами, для лерцолитов типа 1 составляют 980°С - 1088°С, а для типа 2 - 889°С - 1012°С.

Давление в породах, не содержащих гранат, определялось с помощью клинопироксенового геобарометра Нимиса, который позволяет оценивать давление только в клинопироксен-содержащих ассоциациях. Рассчитанные значения давления находятся в интервале 1.4-1.7 ГПа для первого типа и 0.9-1.2 ГПа для второго типа ксенолитов лерцолитов. Температуры равновесия в гранатовом гранулите составляют около 790°С - 900°С, согласно расчетам количества Са в ортопироксенах. Эти же величины, рассчитанные по двупироксеновому геотермометру, составляют 860°С - 950°С. По оценке методами двупироксенового и «Са в ортопироксене» геотермометров, температура для гранулитов, не содержащих гранат, соответствует 780°С - 840°С.

По результатам термобарометрии может быть восстановлена геотерма для установившегося кондукгивного теплопереноса с экспоненциальным уменыпениме количества теплогенерирующих

элементов выше критической глубины D согласно выражению [Lachenbruch, 1968; Crowley, 1987]:

Т(:) = Т + (8)

V ' К K D

где z - глубина, Ts - температура на поверхности Земли, Qo -тепловой поток на поверхности, К - коэффициент теплопроводности, Ао -значения теплогенерации на дневной поверхности; D - мощность верхнего слоя земной коры, содержащей радиогенные источники тепла.

Результаты расчета палеогеотермы верифицировались данными В.В. Гордиенко и И. Артемьевой (рис. 11, 12). Согласно данным [Li et al, 2010] по северной части Тарима, [Гордиенко и др., 1990] по Тянь-Шаню и результатам настоящей работы, наблюдается общее остывание литосферы Тянь-Шаня и Тарима. Однако тепловой поток под Тянь-Шанем и в геологической истории, и в настоящий момент значительно выше, чем под Таримом (рис. 13). Соотношение прочностей литосферы Тарима и Тянь-Шаня, оцененные с учетом этого факта в [Neil, Houseman, 1997], подтверждает концепцию взаимодействия жесткого блока Тарима (древний кратон) и более мягкого Тянь-Шаня (палеозойская складчатая область). Результаты термобарометрии эклогитов [Симонов и др., 2008а] также свидетельствует о более высоком прогреве Тянь-Шаня по отношению к Тариму: температура субдуцируемой в литосферную мантию заведомо «холодной» океанической коры при образовании эклогитов близка к температурам под Таримом (рис. 13).

Глава 5. Структура, состав и состояние вещества литосферы Центрального Тянь-Шаня по результатам геолого-геофизических исследований

В заключительной главе на основе количественной интерпретации материалов МТЗ/МВЗ цо геотраверсу NARYN (рис. 1), серии детализационных профилей секущих зону ТФР, региональному «KEKEMEREN» и Малонарынскому профилям определена глубинная геоэлектрическая структура и выполнена оценка состава и состояния вещества литосферы Центрального Тянь-Шаня по результатам комплексных геолого-геофизических исследований.

В рамках решения структурной задачи в региональных геоэлектрических моделях Центрального Тянь-Шаня были выделены следующие структурные элементы:

1) Уточнена глубинная геоэлектрическая структура зоны Таласо-Ферганского разлома посредством детального исследования эффекта вытеснения поперечного тока. Результаты инверсии МТ-данных, полученных по Чаткальскому профилю (71.5°в.д.), свидетельствуют о тенденции к ослаблению аномалии электропроводности, приуроченной к

зоне ТФР (рис. 14). Геоэлектрическая структура зоны ТФР, полученная на основе детальных магнитотеллурических исследований, представляет собой комбинацию высокоомного ядра в центре и проводящих зон листрической формы, полого погружающихся к юго-западу от зоны ТФР до глубин 40-45 км и северо-востоку - до глубин 25-30 км. Особенностью геоэлектрического разреза вдоль Чаткальского профиля является значительное уменьшение ширины аномальной зоны (до 10 км) и погружение кровли проводящего слоя на глубину до 7 км.

2) В геоэлектрической структуре верхней части земной коры региона исследования выделена система разнонаправленных проводящих тел, которые можно отождествить с фрагментами глубинных разломов, сутурными швами, зонами высокой проницаемости, а также с границами микроконтинентов. В построенных геоэлектрических разрезах по региональному профилю «КЕКЕМЕКЕЛ» и геотраверсу «ЫАЯУЛ» (74° и 76° в.д.) определены структуры, соответствующие Атбашинской аккреционно-коллизионной зоне и докембрийскому Иссык-Кульскому микроконтиненту (рис. 15). Тектонические нарушения выражены как структуры пониженного сопротивления, пространственно приуроченные к зонам основных разрывных нарушений - Линии Николаева, Южно-Кочкорского, Атбаши-Иныльчекского и Южно-Тяныпанского разломов.

В рамках данного исследования автором использовались два подхода к сопоставлению лабораторных данных и полевых оценок электропроводности глубинных пород: первый был реализован посредством метода конверсии (трансформации) результатов лабораторных измерений (зависимость электропроводности от температуры) в зависимость электропроводности от глубины при условии известной геотермы в районе исследования. Второй - данные лабораторных измерений (электросопротивление и температура) для различных типов пород накладывались на совмещенную геоэлектрическую и тепловую модель. Ввиду того, что лабораторные эксперименты проводились на образцах, отобранных непосредственно с места проведения МТЗ, участки для построения вертикальных профилей электросопротивления на 2Б-моделях МТЗ также выбирались вблизи пунктов отбора ксенолитов глубинных пород или эклогитов.

В вертикальных профилях МТЗ отражено влияние существующего в настоящее время распределения температуры, поэтому: а) если имеются оценки современных глубинных температур для участка работ, то можно подобрать тип пород по соответствующему участку диаграммы Аррениуса; б) если известен петрографический состав массива, то существует возможность оценки распределения глубинных температур. Трансформация диаграмм Аррениуса в зависимость электропроводности

от глубины при тепловом потоке на поверхности 60 мВт/м2, что соответствует наблюдаемому <Зо в зоне сочленения Тарима и Тянь-Шаня, показана на рисунке 16.

Другим способом сопоставления результатов лабораторных измерений (зависимость электропроводности от температуры) о(Т) с результатами глубинных МТЗ (зависимость электропроводности от глубины) а(Ъ), используемым в настоящей работе является прямое совмещение диаграммы Аррениуса о(Т) с двумерной геоэлектрической моделью [ЗДеНдокз е1 а1., 2003]. В качестве вертикальной оси диаграммы Аррениуса используется ось температур из соответствующей тепловой модели, наложенной на геоэлектрическую модель (рис. 17). Горизонтальные оси тепловой и геоэлектрической модели при этом совмещены по координатной сетке. Точки на геоэлектрической модели, в которых снимались значения температур и сопротивлений для эклогитов, шпинелевых лерцолитов и гранулитов, выбирались с учетом следующих ограничений: на рассматриваемом участке геоэлектрической модели должно наблюдаться уменьшение сопротивления с увеличением глубины (температуры). Это условие является необходимым для того, чтобы предполагать петрографическую однородность оцениваемого массива. Рассматриваемый диапазон температур (глубин - давлений) должен входить в поле стабильности анализируемой глубинной породы. Кроме того, должен учитываться фактор региональной тектоники, т.е. области развития эклогитов и эклогитоподобных пород ожидаются в глубинных частях палеосубдукционных зон, где океаническая кора подвергалась действию процессов эклогитизации.

В результате совмещения данных лабораторных измерений электропроводности с результатами 2Б-инверсии, на геоэлектрической модели были выделены участки, которые соответствуют вышеприведенным условиям методики петрологической интерпретации. Выделенные массивы оконтурены по соответствующим изолиниям электросопротивления, положению границы Мохо, а также, что касается эклогитов, согласно конфигурации структур, определяемой «субдукционным сценарием». Предполагается, что в зоне сочленения Тарима и Тянь-Шаня горизонты пород, слагающих литосферную мантию, не содержат свободного флюида или частичного расплава в количестве, достаточном для формирования аномально проводящих объектов. Особенности электропроводности этих горизонтов, в основном, обуславливаются их вещественным составом и распределением температур. В интервале температур от ~750°С до ~950°С, соответствующем глубинам литосферной мантии, наблюдается совпадение результатов «сухих опытов» лабораторных измерений

электропроводности образцов эклогитов и пшинелевых лерцолитов со значениями электропроводности по рассматриваемым участкам вертикальных профилей. Расположение глубинного массива эклогитизированных пород в продолжение пологого поддвига Таримской платформы под кору Тянь-Шаня и морфология геоэлектрических структур, соответствующая субдукционно - коллизионному сценарию являются дополнительным аргументом для такой интерпретации.

По результатам инверсии МТ-данных мы можем сделать вывод и о состоянии вещества, расположенного в геоэлектрической модели на глубинах 90-120 км (рис. 17). Электропроводность этого слоя не может быть обусловлена частичным расплавом и в подтверждение этого вывода можно привести два аргумента. Во-первых, средняя величина удельного сопротивления в модели на глубинах 90-120 км составляет около 100 Ом м, что существенно выше, чем таковая для частичного расплава. Лабораторные измерения электросопротивления частично расплавленных лерцолитов дают величины 0.2 - 0.5 Ом-м при содержании расплава 1122 об. % [Maumus et al., 2005], таким образом, в указанном глубинном горизонте расплав может присутствовать лишь в малых количествах (<1 %) или в изолированных камерах [Bielinski et al., 2003]. Во-вторых, в сейсмотомо1рафических разрезах [Koulakov, 2011; Li et al., 2009; Сабитова и др., 2009] не выделяется слой пониженных сейсмических скоростей, соответствующий астеносферному плавлению вещества. Возможно, что температура плавления перидотитов для рассматриваемых глубин снижена за счет присутствия флюида (кривая 0.1 вес.% НгО), как это показано на диаграмме (рис. 18, 19) [Литасов, 2011]. В этом случае присутствие 0.1 вес.% НгО (1000 ррт) увеличит электропроводность шпинелевых лерцолитов, согласно [Wang, 2008], более чем на порядок.

Основной проблемой интерпретации глубинных МТЗ является решение вопроса о природе аномалий коровой электропроводности, поскольку именно этим определяется их роль в изучении геодинамических процессов и геологического строения Земли. В соответствии с современными представлениями о природе коровых проводящих слоев существует несколько возможных механизмов повышенной электропроводности: либо высокая электронная проводимость пород, слагающих верхнюю кору; либо ионная, связанная, в основном, с присутствием в породах воды и растворов солей; либо с частичным плавлением пород земной коры. В качестве электронопроводятцих пород, присутствующих в метаморфических комплексах фундамента, чаще всего встречаются углерод и сульфидсодержащие гнейсы и сланцы, включающие в себя пирит, пирротин, графит. Однако наиболее оправданной является флюидная

гипотеза возникновения аномальной коровой электропроводности, что представляется вероятным для активных зон, где из-за тектонических движений сохранение целостности тонких пленок пород с электронной проводимостью (графита) затруднено, в то время как изменение конфигурации порового пространства, заполненного флюидом, не может сводить электропроводность к нулю.

Комплексное исследование аномалий электропроводности и упругих свойств в земной коре и верхней мантии обусловлено общностью их природы и основано на особенностях реологического состояния среды. Хорошее соответствие количественных геоэлектрических и сейсмических оценок объемной пористости для проводящего и низкоскоростного слоя земной коры является весомым аргументом в пользу флюидной концепции коровой электропроводности. Различие в поведении геоэлектрических и сейсмических аномалий может быть связано с присутствием или отсутствием флюидной компоненты в микротрещинах и порах горных пород. В качестве подтверждения вышесказанного был выполнен анализ корреляции данных по распределению сейсмических скоростей Vp и результатов двумерной инверсии магнитотеллурических зондирований вдоль трансекта "MANAS" для того, чтобы оценить пористость (флюидонасыщенность) и возможность наличия сквозной сети графитовых пленок в межзерновом пространстве в глубинных слоях земной коры зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня (рис. 20, 21).

Для верификации полученных в работе моделей, выбраны современные и детальные сейсмотомографические модели исследуемого региона, представленные в работах [Koulakov, 2011; Li et al., 2009; Сабитова и др., 2009] (рис. 22, 23). Наиболее интересными объектами разрезов являются: «А» - зона пониженных сейсмических скоростей и пониженных электросопротивлений, расположенная, в основном, под поверхностью поддвига Тарима под Тянь-Шань (рис. 23). Представляется оправданным объяснение этой аномалии через присутствие флюидной компоненты в массивах субдуцированных в карбоне (С1-2) пород [Буртман, 2012]; «Б» - зона повышенных скоростей и электросопротивлений; «В» - зона интенсивной положительной аномалии как сейсмических скоростей, так и электросопротивлений. В геоэлектрическом разрезе под Нарынской впадиной обращает на себя внимание высокоомное тело (глубина от ~20 км до -90 км) с величиной электросопротивления 3000 - 6000 Ом-м.

Очевидно, что это тело не может быть представлено одним типом пород, так как внутри указанного диапазона глубин температура возрастает от ~400°С до ~900°С и, соответственно, электросопротивление (одного типа пород) при этом должно уменьшиться в несколько раз.

Таким образом, разделение геоэлектрической зоны «В» на две части по сейсмотомографическим данным является косвенным подтверждением этого предположения. Нижняя же часть геоэлектрической зоны «В» хорошо соответствует положительной аномалии сейсмических скоростей. Зона «Г», которая характеризуется пониженными сейсмическими скоростями и пониженными значениями электросопротивления, располагается преимущественно под основанием и с боков Иссык-Кульского микроконтинента [Вив1оу й а1., 2003].

Наиболее интенсивные аномалии обоих геофизических полей наблюдаются под основанием Иссык-Кульского микроконтинента. Этот факт позволяет сделать предположение о перемещении мантийных флюидов по зоне ордовикской субдукции [Буртман, 2012], их концентрации под основанием Иссык-Кульского микроконтинента и о его низкой проницаемости, подтверждаемой также и распределением Я (3Не/4Не) по данным [Поляк и др., 1990] (раздел 5.1.13). Зона «Д» (изолятор), не связана с возрастанием сейсмических скоростей, но отражается в существенном уменьшении отрицательной аномалии сейсмических скоростей по отношению к соседним массивам.

Что касается глубинной части разреза (зоны «Е и «Ж»), то их обсуждение в значительной степени носит предположительный характер, так как интенсивность аномалий сейсмических скоростей невелика и составляет около 1%. Распределение электропроводности и температуры от зоны «Ж» по направлению к «Д», соответствует диаграмме Аррениуса для эклогитов хребта Ат-Бапш и есть основания предполагать, что зона «Ж» - это массив эклогитов и эклогитоподобных пород. Положительная аномалия сейсмических скоростей может быть объяснена повышенной плотностью эклогитов по отношению к соседним массивам пород.

Приуроченность гипоцентров землетрясений к участкам положительных аномалий скоростей Ур сейсмотомографической модели и к высокоомным блокам геоэлектрического разреза (электросопротивление до 103 - 104 Ом-м), показана на рис. 24. По глубине возникновения эти землетрясения являются коровыми, хотя для землетрясений в фундаменте Таримского блока характеры глубины до 40 км, а большинство гипоцентров на Тянь-Шане локализуется на глубинах до 25 км.

Анализ комплекса геолого-геофизических данных является важным не только при выявлении структурных особенностей и неоднородностей в литосфере Центрального Тянь-Шаня, но и для определения термического режима в условиях внутриконтинентального оогенеза на разных стадиях его развития. В нашей работе [Ва§<1аз8агоу е1 а1., 2011] мощность земной коры Южного Тянь-Шаня около 70 млн лет назад оценивается по положению на РТ-диаграмме границы между гранулитами и

шпинелевыми лерцолитами и составляет 35-40 км (1.1-1.2 ГПа). Температура на палеогранице Мохо (35-40 км) определена как ~860°С, то есть на 100°С выше, чем на современной поверхности Мохо (рис. 19). Эта оценка положения палеоповерхности Мохоровичича подтверждается лабораторными измерениями скоростей продольных сейсмических волн Ур на образцах грану литов и лерцолитов.

Заключение

Все представленные в настоящей работе исследования ориентированы на решение фундаментальных проблем изучения структуры, состояния вещества литосферы и тепловой эволюции Земли. Основным результатом работы является расширение возможностей метода МТЗ за счет развития методики интерпретации глубинных магнитотеллурических исследований и оценки состояния вещества земной коры и верхней мантии по геофизическим характеристикам и лабораторным измерениям на образцах ксенолитов глубинных пород.

Наиболее важные результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Уточнена глубинная геоэлектрическая структура зоны Таласо-Ферганского разлома посредством детального исследования эффекта вытеснения поперечного тока. Результаты инверсии МТ-данных, полученных по Чаткальскому профилю (71.5°в.д.), свидетельствуют об ослаблении аномалии электропроводности, приуроченной к зоне ТФР.

2. В геоэлектрической структуре верхней части земной коры на территории Центрального Тянь-Шаня выделена система разнонаправленных проводящих тел, которые можно отождествить с сутурными швами, зонами высокой проницаемости и с границами микроконтинентов. В геоэлектрических разрезах по региональным профилям (74° и 76° в.д.) определены структуры, соответствующие Атбашинской аккреционно-коллизионной зоне и Иссык-Кульскому микроконтиненту, в зоне сочленения Тянь-Шаня и Таримской плиты выявлена протяженная низкоомная зона, которая начинается южнее Аксайской впадины и полого погружается под Тянь-Шань до глубин порядка 80 км. Предполагается, что положение этой зоны соответствует субдукционному сценарию и отражает процесс пододвигания литосферы Тарима под Тянь-Шань.

3. Построена двумерная тепловая модель литосферы Тянь-Шаня (по профилю 76°в.д.), глубинное распределение температур которой близко к среднему значению для континентов и контролируется поверхностью Кюри. На основе сопоставления современного распределения температур с данными термобарометрии шпинелевых лерцолитов и грану литов

получены оценки тепловой эволюции литосферы Тянь-Шаня в кайнозое и динамики пространственного поведения границы Мохо для Южного Тянь-Шаня. Установлено, что около 70 млн лет назад граница Мохо находилась на глубине 35-40 км, что на 20 км выше, чем ее современное положение.

4. Определены зависимости электропроводности от температуры (в виде диаграмм Аррениуса) для «сухих» гранулитовых и лерцолитовых ксенолитов и эклогитов Южного Тянь-Шаня при высоких РТ-параметрах.

5. Сравнительный анализ результатов сейсмотомографических построений с геоэлектрическим разрезом «NARYN» позволил установить корреляцию скоростных характеристик земной коры и ее электрических свойств: а) зонам с повышенной электропроводности соответствуют области пониженных сейсмических скоростей; б) зонам с пониженной электропроводности - области повышенных сейсмических скоростей; в) для массивов эклогитовых пород, выделенных в результате комплексной интерпретации, характерны повышенные сейсмические скорости.

Дальнейшее развитие метода МТЗ возможно и необходимо. К наиболее перспективным можно отнести следующие направления будущих исследований: 1) переход от двумерной к трехмерной интерпретации результатов МТЗ, что, соответственно, потребует новых методических, программных и аппаратурных разработок; 2) исследование распределения содержания изотопов гелия 3Не/4Не, как самого чувствительного индикатора для выявления зон проникновения мантийных флюидов в верхнюю часть земной коры, что будет способствовать развитию интерпретации геоэлектрических моделей; 3) аудиоМТЗ (диапазон частот от единиц герц до первых тысяч герц) для исследования структурных особенностей верхней части разреза, изучения близповерхностного поведения тектонических нарушений и обнаружения проводящих рудных объектов, перекрытых мощной толщей высокоомных коренных пород и недоступных для изучения методами наземной электроразведки на постоянном токе.

Основные публикации по теме диссертации

1. Баталев, В.Ю. Интерпретация глубинных магнитотеллурических зондирований в Чуйской межгорной впадине / В.Ю. Баталев, М.Н. Бердичевский, M.JI. Голланд, Н.С. Голубцова, В.А. Кузнецов // Известия АН СССР. Физика Земли. - 1989. - № 9. - С. 42-45.

2. Трапезников, Ю.А. Магнитотеллурические зондирования в горах Киргизского Тянь-Шаня / Ю.А.Трапезников, Е.В.Андреева, В.Ю. Баталев [и др.] // Физика Земли. - 1997. - № 1. - С. 3-20.

3. Братин, В.Д. О качественных связях современных движений с геоэлектрическим разрезом земной коры Центрального Тянь-Шаня и распределением сейсмичности / В.Д. Брагин, В.Ю. Баталев, A.B. Зубович [и др.] // Геология и геофизика. - 2001. - Т. 42. - № 10. - С. 1610-1621.

4. Рыбин, А.К. Магнитотеллурические и магнитовариационные

исследования Киргизского Тянь-Шаня / А.К. Рыбин, В.Ю. Баталев [и др.] // Геология и геофизика. - 2001. - Т. 42. - № 10. - С. 1566-1173.

5. Зубович, A.B. Поле деформаций, глубинное строение земной коры и пространственное распределение сейсмичности Тянь-Шаня /

A.B. Зубович, Ю.А. Трапезников, В.Д. Брагин, О.И. Мосиенко, Г.Г. Щелочков, А.К. Рыбин, В.Ю. Баталев // Геология и геофизика. -2001.-Т. 42.-№ 10.-С. 1634-1640.

6. Макаров, В.И. Современная геодинамика областей внутриконтинен-тального коллизионного горообразования (Центральная Азия) / Макаров,

B.И. ..., Баталев В.Ю. [и др.] / под ред Лаверова Н.П. -М.: Научный мир.

- 2005. - 400 с.

7. Баталева, Е.А. Аномалии электропроводности зоны Таласо-Ферганского разлома и reo динамическая интерпретация структуры юго-западного Тянь-Шаня / Е.А.Баталева, М.М.Буслов, А.К.Рыбин, В.Ю. Баталев, И.В.Сафронов //Геология и геофизика-2006 -№ 9 - С. 1036-1042.

8. Баталева Е.А. О возможности использования магнитотеллурического зондирования для исследования тектонических нарушений в массивах горных пород / Е.А. Баталева, А.К. Рыбин, В.Ю. Баталев, И.В. Сафронов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -2005.-№3,-С. 38-45.

9. Захарова, O.K. Оценка корреляции магнитотеллурических и геотермических данных на Бишкекском геодинамическом полигоне / O.K. Захарова, В.В. Спичак, А.К. Рыбин, В.Ю. Баталев [и др.] // Физика Земли.

- 2007. -№ 4. - С. 35-42.

10. Рыбга, А.К. Площадные магнитотеллурические зондирования в сейсмоактивной зоне Северного Тянь-Шаня / А.К. Рыбин, В.В. Спичак,

B.Ю. Баталев [и др.] // Геология и геофизика. - 2008. - Т. 49. - № 5. -

C. 445-460.

11. Рыбин, А.К. Магнитотеллурические свидетельства глубинных геодинамических условий в зоне сочленения Южного Тянь-Шаня и Тарима / А.К. Рыбин, В.Ю. Баталев, Е.А. Баталева [и др.] // Записки Горного института. - 2009. - Т. 183. - С. 272-276.

12. Бердичевский, М.Н. Геоэлекгрический разрез Центрального Тянь-Шаня: анализ магнитотеллурических и магнитовариационных откликов вдоль геотраверса НАРЫН / М.Н. Бердичевский, Е.Ю. Соколова, Ив.М. Варенцов, А.К. Рыбин, Н.В. Баглаенко, В.Ю. Баталев [и др.] // Физика Земли. - 2010. - № 8. - С. 36-53.

13. Макаров, В.И. Поддаиг Тарима под Тянь-Шань и глубинная структура зоны их сочленения: основные результаты сейсмических исследований по профилю MANAS (Кашгар-Сонкёль) / В.И. Макаров, Д.В. Алексеев, В.Ю. Баталев [и др.] // Геотектоника. - 2010. - № 2. - С. 23^2.

14. Баталев, В.Ю. Петрологическая интерпретация магнитотеллурических данных глубинной зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня // ДАН. -Т. 438,- №2. 2011.-С. 212-216.

15. Баталев, В.Ю. Геоэлектрическая структура литосферы Центрального и Южного Тянь-Шаня в сопоставлении с петрологическим анализом и

лабораторными исследованиями нижнекоровых и верхнемантийных ксенолитов / В.Ю. Баталев, Е.А. Баталева, В.В. Егорова [и др.] // Геология и геофизика, [и др.] 2011. - № 12. - С. 2022-2031.

16. Баталев, В.Ю. Состояние литосферы зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня по результатам петрологической интерпретации магнитотеллурических данных / В.Ю. Баталев, Е.А. Баталева // Физика Земли. - 2013. - № 3. - С.87-94.

17. Баталев, В.Ю. Глубинное строение западной части зоны Таласо-Ферганского разлома по результатам магнитотеллурических зондирований / В.Ю. Баталев, Е.А. Баталева, В.Е. Мапоков [и др.] // Литосфера. - № 4. -2013.-С. 135-146.

18. Park, S. К., Thompson S. С., Rybin A., Bat a lev V., Bielinski R. Structural constraints in neotectonic studies of thrust faults from the magnetotelluric method Kochkor Basin, Kyrgyz Republic // Tectonics. 2003. V. 22(2). doi: 10.1029/2001ТС001318.

19. Bielinski R., A., Park S. K., Rybin A., Batalev V., Jun S., Sears C. Lithospheric heterogeneity in the Kyrgyz Tien Shan imaged by magnetotelluric studies // Geophysical Research Letters. 2003. V.30(15). 180610.1029/2003 GL017455

20. Buslov M.M., Klerkx J., Abdarakhmatov K., Delvaux D., Batalev V.Yu., Kuchai O.A., Dehandschutter В., Muraliev A. Resent strike-slipe deformation of the northern Tien-Shan//Geological Society. London. 2003. V.210. P.53-64.

21. Buslov M.M., De Grave J., Bataleva E.A., Batalev V.Yu. Cenozoic tectonic and geodynamic evolution of the Kyrgyz Tien Shan Mountains: A review of geological, thermochronological and geophysical data // Journal of Asian Earth Sciences. 2007. V. 29. C. 205-214.

22. Bagdassarov N., Batalev V., Egorova V. State of lithosphere beneath Tien Shan from petrology and electrical conductivity of xenoliths // Journal of Geophysical Research. 2011. V. 116. С. ВО 1202, doi: 10.1029/2009JB007125

23. De Grave J., Glorie S., Buslov M., Izmer A., Foumier-Came A., Batalev V. Yu., Vanhaecke F., Elburg M., Van den haute P. The thermo-tectonic history of the Song-Kul Plateau, Kyrgyz Tien Shan: constraints by apatite and titanite thermochronometry and zircon U/Pb dating // Gondwana Research. 2011. V.20. J.4. P. 745-763.

24., Glorie S., De Grave J., Buslov M. M., Zhimulev F.I., Stockli D.F., Batalev V. Yu., Izmer A., Van den haute P., Vanhaecke F., Elburg M.A. Tectonic history of the Kyrgyz South Tien Shan (Atbashi-Inylchek) suture zone: the role of inherited structures during deformation-propagation // Tectonics. 2011. V. 30. doi: 10.1029/2011TC002949

25. De Grave J., Glorie S., Buslov M., Stockli D„ McWilliams M., Batalev V., Van den haute P. Thermo-tectonic history of the Issyk-Kul basement (Kyrgyz North Tien Shan, Central Asia) // Gondwana Research. 2013. V.23. P.998-1020.

а = аЕ1*Фт (Закон Арчи)

<JEL =f(P, Т, соленость) Ф =пористость

----глубина 40-50(?) км-----

СУХИЕ ПОРОДЫ

ст = а0-еЕА/кТ

(Закон Аррениуса) ' Глубина

Рис. 3. Схематическое представление законов электропроводности для водонасыщенных и сухих пород по [Will, Nover, 1986], с изменениями.

AIA

Стальная пробка Пирофиллит Медное кольцо CaF2 Графит

Наружный электрод (Мо) Внутренний электрод (Мо) Термопара В-типа Образец

Твердосплавная обойма Твердосплавный поршень

Рис. 5. Конструкция использованной в настоящей работе измерительной ячейки. Внешний диаметр 0.5 дм, по [Maumus et al., 2005].

Температура, °С

Температура, °С

[1 Гранулиты

эыюгиты. (У (Симонов ДР,20081

Ж терма Мг-С: lArtemieuj, 2004]

I ' I

0 200 400 eoo 800 1000 1200 1400 1600

0 50 100км

Время (млн лет)

Рис. 13. Тепловая история зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня: 1 - современный тепловой поток, хр. Кокшаал-Тоо, Южный Тянь-Шань [Дучков и др., 2001]; 2 -определение по термобарометрии гранулитов и лерцолитов хр. Кокшаал-Тоо, Южный Тянь-Шань, [Е^с^агоу е( а1., 2011]; 3 - данные петрологических термометров по 11 ордиенко, 1990]; 4 - определение по термобарометрии эклогитов хр. Ат-Баши [Симонов и др., 2008а]; 5 - палео тепловой поток для северной части Тарима (поднятие Табей) [Ы е1 а1„ 2010].

Рис. 9. Сопоставление тепловых моделей через Тянь-

Шань по профилю 76° в.д., построенных Ю.Г. Шварцманом и предложенной в настоящей работе: 1 -значения теплового потока на поверхности, 2 - изотермы модели Ю.Г. Шварцмана; 3 - изотермы тепловой модели через Тянь-Шань по профилю 76° в.д.; 4 - отметки северной широты.

в 200 400 6W МО 1000 1200 1400 1«00

Рис. 10. Сопоставление тепловой модели

[Баталев, 2011] с данными по глубине залегания поверхности Кюри [Artemieva, 2006] и [Погребной, Гребенникова, 2011].

0 000« 0.0008 0 001 0.0012 0 0014 0.0016 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016 Т, 1/К , Т, 1/К

Рис. 7. Измерения электропроводности и времени диэлектрической релаксации на образцах шпинелсвых лерцолитов и гранулитов (ксенолиты из базальтов Ортосуу). Числа на графиках указывают величину энергии активации (эВ).

Рис. 1. Схема геофизических профилей секущих Атбашинскуто аккреционно -коллизионную зону и Иссык-Кульский микроконтинент: а) - Кекемеренский; б) -Нарынский; в) - Малонарынский профили МТЗ. Выходы щелочных мел-палеогеновых базальтов обозначены квадратами, эклогиты хр. Ат-Баши - звездочка.

Log Ro, Омм 4

-0.6

-1

-1.6

Рис. 2. Проявление составной зоны ТФР на псевдорельефе ЯоВгс! для периода Т = 400 с: 1 -пункты МТЗ; 2 - граница Киргизстана; 3 - крупные разломы: ТФ - Таласо-Ферганский; ЛН -тепловой поток для северной части Тарима (поднятие Табей) [1л е1 а1., 2010].

ЬЪ

ДНЕВНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

1/Темлература

Рис. 4. Схематический график изменения механизмов электропроводности в зависимости от температуры [Selway, 2012].

5 £

•jt О

с >s

о m о

ф к

Рис. 8. Схема изученности тепловых характеристик земной коры Тянь-Шаня по данным Ю.Г.

Шварцмана и А.Д. Дучкова: 1 - пункты оценки теплового потока на поверхности: а) - в скважинах, Ь) по отношению изотопов гелия ЗНе/4Не в подземных источниках; 2 - контуры границы Киргизстана; 3 - региональные разломы: ТФР - Таласо-Ферганский; ЛН - Линия Николаева; АН - Атбаши-Иныльчекский; 4 - изолинии теплового потока на поверхности в мВт/м2; 5 - рассматриваемый профиль МТЗ по 76°в.д. через Тянь-Шань; 6 - геотраверсы с построенными Ю.Г. Шварцманом геотермическими моделями земной коры.

Температура, °С

Рис. 11. Сопоставление геотермы (80 Рис. 12. Сопоставление предлагаемой модели мВт/м2) для раннекайнозойских распределения температур для профиля 76°

мВт/м2) для раннекайнозойских базальтов Ортосуу с данными петрологических термометров для раннемезозойской активизации Тянь-Шаня по [Гордиенко, 1990].

распределения температур для профиля 76° в.д. (геотерма 60 мВт/м2) с данными [Artemieva, 2006].

№1 -»-BII1 GPa -»-ВЦ 2 GPa

1400

Рис. 6. Расчеты электропроводности оливина от температуры для распространенных буферных реакций в соответствии с моделью SE03 [Constable, 2006].

Температура, °С

Температура, °С

200 400 600 600 1000 1 200 1400 1600

200 400 600 800 1000 1 200 1400 1600

60 км

Рис. 14. Результаты 2Г)-инверсии МТ-данных по профилю И-Ь, полученные с помощью пакета программ Яос1к Маск1е.

Тарим § Аксайская *

Нарынская Киргизский Q

впадина хребет

602 g 7 508 513

603 601 * 501 502* 503 505 506 507 509 510 511

=j впадина я

100 150 200км

-10 12 3 4

LoglO(p)

I " ¡2 SI 603 I4 lUrls

Рис. 15. Сопоставление геофизических моделей со схематическим разрезом аккреционно - коллизионной зоны по [Gao, Klemd, 2003]. Геоэлектрическая структура земной коры, вдоль МТ-профиля 76° в.д. через Тянь-Шань [Bielinski et al., 2003] показана цветом: 1 - глубинные разломы по [Thompson et al., 2002]; 2 - изолинии скоростей Vp; 3 - пологий поддвиг Таримской платформы под кору Тянь-Шаня по данным МОВ-ОГТ, трансект MANAS [Баталева и др., 2009]; 4 - пункты глубинных МТЗ: 5 - Иссык-Кульский микроконтинент.

E3EH32[£Z>E=¡1<

Рис. 16. Трансформация диаграмм Аррениуса: с(Т) в с(Ь) через геотерму 60 мВт/м2, показана пунктирной линией со стрелкой: 1- шпинелевые лерцолиты; 2 - направление

трансформации; 3 - вертикальный профиль электропроводности, снятый с геоэлектрического разреза вблизи пункта отбора образцов; 4 - геотермы с различным значением теплового потока на поверхности, модифицировано по [ЬавЮуюкоуа, 1991].

Температура, °С

14001200 1 000 BOO 700 600 500

® ТГГаЯ Аксайская Нарынская Киргизский Казахская

впадина впадина впадина хребет платформа

- - 604 602 508 513

605 603 601 501 502 603 505 506 507 509610 511 512 514 Q

Рис. 17. Сопоставление результатов лабораторных измерений электропроводности и результатов 20-инверсии полевых измерений МТЗ [Bielinski et al„ 2003]. Значения электросопротивления в модели показаны цветом, значения температур указаны на изотермах, числами над разрезом показаны номера пунктов ГМТЗ. Положение разломов (черные линии) заимствовано из [Thompson et al., 2002].

Температура. °С

мм юс ао* |(м 12)

Температура, "С

—J fit Т Motto

\ m с s S

'V

\ \

—ЖЖ 1

A Mi □ гт — Таа V

ю

».

с

Рис. 18. РТ-диаграмма с геотермами для южной части профиля 76° в.д. и солидусами перидотита с различным содержанием Н20 в мае. % по [Литасов, 2011 ].

7 6.6 6.2 5.8 5.4 5 4.6

Рис. 19. Термобарометрия нижнекоровых и верхнемантийных ксенолитов из базальтов Ортосуу, хр. Кокшаат-Тоо и эклогитов хр. Ат-Баши.

Tari m basin

S 604 602 605 603 601

501 502

Naryn basin 503 505 N

0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8

1.од10Ро, Ом*м

Рис. 20. Корреляция скоростей Ур

[Макаров и др., 2010] и электросопротивления для зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня (рис.21).

LoglO(p)

Рис. 21. Аномальные участки (массивы) сопротивлений [В1еНп5к] е1 а1., 2003] и скоростей Ур [Макаров и др., 2010], в зоне сочленения Тарима и Тянь-Шаня, числами над разрезом показаны номера пунктов ГМТЗ.

Ь9

Таримская впадина

Аксайская Нарынская впадина впадина

604 602

605 603 601 501 502 503

Киргизский Казахская

хребет платформа

508 513

505 506 507 509 510 511 512 514

100 —

ю

300 км 200 км 100 км

-10 1 2 3 4

LoglO(p) I

Рис. 22. Соответствие коровых электропроводящих объектов и аномалий скоростей сейсмических волн Vp [Koulakov, 2011]. Геоэлектрический разрез по [Bielinski et al., 2003]. Таримская

впадина Аксайская Нарынская Киргизский Казахская впадина впадина хребет платформа

604 602 508 513

605 603 601 501 502 503 505 506 507 509 510 511 512 514

100 —

1 Г

300 км 200 км ЮОкм 0

-1 0 1 2 3 4 £

Iх>81 <кр) И - Ш

Рис. 23. Соответствие аномальных объектов геоэлектрической модели и аномалий скоростей сейсмических волн Ур [1л е1 а!., 2009]. Геоэлектрический разрез по [В1еПп8к1 е( а1„ 2003].

ю

впадина Аксайская Нарынская Киргизский Казахская

впадина впадина хребет платформа

604 602 508 513

605 603 601 501 502 503 505 506 507 509 510 511 512 514

100-

l.oglCKp)

Рис. 24. Распределение коровой сейсмичности с К>10.5 (показаны звездочками) в сопоставлении с аномалиями (%) скоростей Ур [Кои1акоу, 20II]. Геоэлектрический разрез по [ВйеНпвк! е( а!., 2003], числами над разрезом показаны номера пунктов ГМТЗ.

U

_Технический редактор Т.С. Курганова_

Подписано в печать 18.12.2013 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме

_Печл. 2,0. Тираж 120. Зак. № 109_

ИНГГ СО РАН, ОИТ 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

1 4 - - 2 3 3 S

4063710

2014063710

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Баталев, Владислав Юрьевич, Бишкек

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ НАУЧНАЯ СТАНЦИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК В Г. БИШКЕКЕ

На правах рукописи

05201450765 з

СР а. т(К .

БАТАЛЕВ ВЛАДИСЛАВ ЮРЬЕВИЧ

СТРУКТУРА И СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА ЛИТОСФЕРЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ (по данным глубинных магнитотеллурических зондирований)

25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Бишкек, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................. 6

Глава 1. КРАТКАЯ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ЦЕНТРАЛЬНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ........................................... 15

1.1. Основные черты строения Центрального Тянь-Шаня............. 17

1.2. Проявление основных структурных элементов Тянь-Шаня в геофизических полях.......................................................... 25

1.3. Краткая характеристика мезо-кайнозойского магматизма...... 43

1.4. Геодинамические модели образования

внутриконтинентального орогена Центрального Тянь-Шаня........ 51

Глава 2. ГЛУБИННОЕ СТРОЕНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ ПО

ДАННЫМ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ..... 61

2.1. Особенности методики проведения МТЗ в горных условиях.... 64

2.1.1. Опыт проведения МТЗ в Чуйской впадине................. 64

2.1.2. Исследование зоны Таласо-Ферганского разлома......... 67

2.1.3. Развитие магнитотеллурических исследований на территории Бишкекского геодинамического полигона.......... 69

2.2. Особенности обработки и интерпретации МТ/МВ-данных для территории Центрального Тянь-Шаня.................................... 74

2.2.1. Интерпретации результатов МТЗ в Чуйской впадине и анализ искажений........................................................ 77

2.2.2. Особенности интерпретации результатов МТ -зондирований в зоне Таласо-Ферганского разлома............... 81

2.2.3. Развитие методики интерпретации МТ/МВ данных...... 85

2.3. Электромагнитные зондирования на геотраверсе «ЫАЯУЫ»... 92

2.4. Построение двумерной региональной модели «ЫАЯУТчГ-КЬМ» 95 Глава 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НИЖНЕКОРОВЫХ И

ВЕРХНЕМАНТИЙНЫХ ПОРОД ДЛЯ ИНТЕРПРЕТАЦИИ

МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКИХ ДАННЫХ............................... 103

3.1. Обзор развития лабораторных измерений и представлений о

природе электропроводности земной коры и литосферной мантии. 103

3.2. Современные представления о природе электропроводности литосферы................................................................................................................................................112

3.3. Обзор подходов к интерпретации магнитотеллурических данных с использованием лабораторных измерений....................................131

3.4. Лабораторные исследования образцов нижнекоровых и верхнемантийных пород Центрального Тянь-Шаня............................................140

3.5. Петрографическое, минералогическое и геохимическое исследование перидотитовых и гранулитовых ксенолитов....................158

Глава 4. ПОСТРОЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ МОДЕЛИ ЦЕНТРАЛЬНОГО ТЯНЬ-

ШАНЯ......................................................................................................................................................169

4.1. Геотермические наблюдения на территории Тянь-Шаня................169

4.2. Теплофизические характеристики горных пород....................................172

4.3. Создание температурной модели вдоль 76° в.д. через Центральный Тянь-Шань........................................................................................................178

4.4. Расчет глубинных геотерм Центрального Тянь-Шаня......................181

4.5. Сопоставление тепловых моделей..........................................................................186

4.6. Верификация предложенной модели глубинного распределения температур......................................................................................................186

4.7. Тепловая история региона..............................................................................................189

Глава 5. СТРУКТУРА, СОСТАВ И СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

ЛИТОСФЕРЫ ЦЕНТРАЛЬНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................................................................192

5.1. Геологическая интерпретация геоэлектрической модели по

профилю NARYN............................................................................................................................192

5.1.1. О корректности сопоставления лабораторных и

полевых оценок электропроводности глубинных пород................193

5.1.2. Построение вертикальных профилей

электросопротивления по геоэлектрическим моделям....................195

5.1.3. Метод конверсии результатов лабораторных измерений электропроводности...................................................... 196

5.1.4. Метод «совмещения» диаграммы Аррениуса с двумерной геоэлектрической моделью.............................. 200

5.1.5. Методика петрологической интерпретации магнитотеллурических данных глубинной зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня.................................................... 201

5.1.6. Состав и состояние вещества литосферной мантии зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня...................................... 205

5.1.7. Комплексная интерпретация геофизических моделей.... 208

5.1.8. Проявление Атбашинской аккреционно-коллизионной зоны в геофизических моделях....................................... 209

5.1.9. Отображение докембрийского Иссык-Кульского микроконтинента в геоэлектрической модели Тянь-Шаня..... 212

5.1.10. Геодинамические особенности зоны сочленения

Тарима и Тянь-Шаня.................................................... 214

5.1.11. О природе аномалий коровой электропроводности в

зоне сочленения Тарима и Тянь-Шаня......................................... 215

5.1.12. Распределение гипоцентров землетрясений вдоль геотраверса ЫАЯТО...................................................... 218

5.1.13. Мантийный гелий - индикатор границ Иссык-Кульского микроконтинента.......................................... 220

5.1.14. Сопоставление результатов МТЗ с данными сейсмотомографии....................................................... 224

5.1.15. Оценки глубины залегания поверхности Мохо и геодинамическая история развития региона....................... 230

5.2. Исследования глубинного строения зоны Таласо-Ферганского

разлома........................................................................... 234

5.2.1. Методика детализационных полевых работ МТЗ в зоне Таласо-Ферганского разлома.......................................... 234

5.2.2. Новые данные по глубинному строению зоны Таласо-

Ферганского разлома........................................................................................................238

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................................................242

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................................................................247

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Магнитотеллурические зондирования (МТЗ), использующие в качестве источника вариации естественного электромагнитного поля, являются одним из наиболее доступных, экологически чистых и эффективных методов изучения структуры земной коры и верхней мантии. Результаты интерпретации магнитотеллурических (МТ) данных позволяют получать информацию о распределении электропроводности литосферы, характеризовать флюидный и температурный режимы, а также реологию геологической среды. Глубинные электромагнитные методы являются неотъемлемой частью геофизического комплекса, применяемого при исследованиях глубинного строения Земли. В последние десятилетия достигнут значительный прогресс в области электромагнитных методов зондирования как в создании аппаратуры и в развитии программ инверсии данных [Fox, 2001; Варенцов, 2005; Мартышко, 1994], так и в углублённом исследовании комплексных электромагнитных параметров и процессов электропроводности для диэлектриков и полупроводников, [Эпов и др., 2009; Кацура и др., 2009; Selway, 2012], что и явилось основой рассматриваемой работы. К настоящему моменту для территории Центрального Тянь-Шаня выделен коровый проводящий слой [Баталев и др., 1993; Трапезников и др., 1997; Рыбин, 2001], определены электромагнитные параметры крупнейших разломных зон [Баталев, 2002; Баталева, 2005; Рыбин, 2011], обнаружен эффект вытеснения поперечного тока [Баталев, 2002], выделены закономерности в соотношении распределения гипоцентров землетрясений и проводящих объектов в верхней части коры [Зубович и др., 2001]. Большой объем работ выполнен в ходе адаптации методики проведения и интерпретации данных электромагнитных зондирований в горных условиях [Трапезников и др., 1997; Рыбин, 2001, 2011; Баталев, 2002; Соколова и др., 2008, 2010].

Несмотря на значительные успехи в развитии методики обработки и количественной интерпретации МТ-данных, до сих пор остается целый ряд

нерешенных проблем. К наиболее важным относятся проблемы, связанные с геологической интерпретацией геоэлектрических моделей. В этом направлении очень перспективными представляются петро физические исследования, поскольку создание структурно-вещественных моделей земной коры и верхней мантии является завершающим этапом изучения глубинного строения. Они существенно расширяют знания как о современных геодинамических процессах и явлениях, происходящих на больших глубинах, так и о палеопроцессах и вносят значительный вклад в решение фундаментальных проблем изучения эволюционного развития Земли. Определяющими параметрами при создании петрофизических моделей являются электрические и скоростные характеристики образцов пород из глубинных комплексов, вынесенных на поверхность. При этом предполагается, что глубинные горизонты земной коры могут быть представлены массивами тех пород, которые выносятся на поверхность земной коры базальтами в виде ксенолитов. Построенные в настоящее время петрофизические модели, в основном, являются вероятностными. Отличительной особенностью данной работы является то, что для геологической интерпретации геоэлектрической модели зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня используются результаты петрологических анализов и лабораторных измерений ксенолитов, отобранных непосредственно в регионе исследований.

Объект исследования - распределение электрических параметров в земной коре и верхней мантии и их взаимосвязь с геодинамическими процессами и состоянием вещества литосферы Центрального Тянь-Шаня.

Цель работы - построение структурно-вещественной модели литосферы Центрального Тянь-Шаня на основе изучения закономерностей распределения электропроводности, скоростей сейсмических волн и глубинных температур в сопоставлении с экспериментальными результатами измерений на образцах глубинных ксенолитов.

Основные задачи исследований:

1. Определить особенности глубинного геоэлектрического строения Центрального Тянь-Шаня вдоль серии региональных профилей.

2. Построить структурно-вещественную модель литосферы зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня с использованием методики петрологической интерпретации на основе экспериментальных измерений электропроводности и скоростных свойств образцов глубинных ксенолитов, их вещественного состава и геотермического моделирования.

3. Определить закономерности поведения электропроводности и скоростей упругих волн для образцов ксенолитов на основе экспериментальных исследований при РТ- условиях нижней коры и верхней мантии.

4. Разработать геотермическую модель литосферы Тянь-Шаня вдоль профиля по 76°в.д.

5. Определить состояние вещества и вещественный состав разреза литосферы Центрального Тянь-Шаня на основе сопоставления геоэлектрических и скоростных характеристик среды с данными лабораторных исследований образцов ксенолитов и сейсмичностью.

Фактический материал и методы исследования. В основу диссертации положены результаты комплексных геофизических исследований по международным проектам «Геодинамика Тянь-Шаня», «MANAS» и «TIPAGE». Объем МТ/МВ-данных за период 1982-2012 гг., выполненных на территории Центрального Тянь-Шаня, составил более 900 зондирований. Метод МТЗ, который является базовым в настоящей работе, основан на изучении вариаций естественного электромагнитного поля Земли. Зондирования выполнялись в диапазоне периодов от 0.003 до 16000 сек с использованием новейших технологий и аппаратуры. Для обработки МТ-данных применялось стандартное программное обеспечение для станций EMI, LIMS и Phoenix MTU-5. Количественная интерпретация выполнена в программном комплексе GEOTOOLS. В работе приводятся результаты изучения ксенолитов, отобранных из выходов базальтов Ортосуу. Геохимические исследования минералов из ксенолитов проведены в Аналитическом центре ИГМ СО РАН. Для определения условий равновесия минеральных фаз использовались геотермометры и геобарометры [Brey, Kohler, 1990; Harley, 1984; Nimis, 1999; Sachtleben, Seck, 1981

и др.]. Лабораторные измерения физических свойств ксенолитов выполнены во Франкфуртском университете им. Й.В. Гёте, под руководством проф. Н. Багдасарова. Определение концентрации Н20 в номинально безводных минералах методом ИК-спектроскопии - в лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН. Защищаемые результаты:

1. Основными элементами глубинной геоэлектрической структуры Центрального Тянь-Шаня являются:

• Наклонные и субвертикальные проводящие тела, имеющие форму листрических разломов и соответствующие тектоническим нарушениям, шовным зонам и границам микроконтинентов.

• Высокоомные коровые объекты, составляющие Иссык-Кульский микроконтинент, локализованные в верхней части земной коры.

• Коровый ^проводящий слой с глубиной залегания 20-40 км и удельным сопротивлением 30-100 Ом-м.

• Электропроводящие объекты литосферной мантии (80-110 км), находящиеся в зонах субдукции и эклогитизации океанической коры Туркестанского и Джунгаро-Балхашского бассейнов.

2. Разработана методика петрологической интерпретации, основанная на сопоставлении геоэлектрической модели с петрофизическими исследованиями образцов глубинных пород, анализа их вещественного состава и геотермического моделирования, с применением которой выделены области распространения эклогитов, лерцолитов и гранулитов в разрезе Центрального Тянь-Шаня.

3. По результатам петрофизических измерений нижнекоровых и верхнемантийных ксенолитов, отобранных непосредственно в регионе исследований, установлен тип электропроводности и показано отсутствие частичного расплава в литосферной мантии Центрального Тянь-Шаня.

4. Двумерная тепловая модель литосферы Тянь-Шаня по геотраверсу "ЫАКУЫ", построенная с учетом данных по тепловому потоку в донных осадках оз. Иссык-Куль, характеризуется распределением температур близких к среднему значению

для континентов и согласуется с глубиной залегания поверхности Кюри. Температура палеоповерхности Мохо (70 млн лет), определенная по результатам термобарометрии, на 100°С выше, чем для современной границы Мохо, а глубина её залегания на 20 км ближе к поверхности.

5. На основании анализа корреляции аномалий электропроводности и сейсмических скоростей выведены основные положения структурно-вещественной модели литосферы Центрального Тянь-Шаня и проведена оценка состояния вещества и присутствия флюида:

• Верхняя часть земной коры, в которой реализуется сейсмический процесс, свидетельствующий о её «жесткости», характеризуется положительными аномалиями скоростей Ур и высокими значениями электросопротивления.

• Коровый проводящий слой Центрального Тянь-Шаня состоит из проводящих объектов листрической формы, разделяющих высокоомные блоки земной коры. Его совпадение с отрицательными аномалиями скоростей продольных сейсмических волн (Ур) указывает на флюидную природу коровых геоэлектрических и сейсмических аномалий.

• Электропроводящие объекты, расположенные в литосферной мантии Центрального Тянь-Шаня на глубинах 80-110 км и интерпретируемые как массивы эклогитов и эклогитоподобных пород соответствуют положительным аномалиями скоростей Ур.

Научная новизна работы:

1. На основе сопоставления геоэлектрических моделей, построенных вдоль 74°в.д. и 76°в.д., с геолого-тектоническими схемами и разрезами выделены проводящие объекты, соответствующие границам Иссык-Кульского микроконтинента и Атбашинской аккреционно-коллизионной зоны, северные клинья которой обнаружены в геоэлектрическом разрезе Малонарынского профиля.

2. Для территории Центрального Тянь-Шаня, с учетом новых данных по тепловому потоку в западной части оз. Иссык-Куль [Вермееш и др., 2004], создана двумерная тепловая модель. Реконструкция тепловой эволюции зоны

сочленения Тарима и Тянь-Шаня выполнена при сопоставлении тепловой модели с результатами термобарометрии ксенолитов.

3. Впервые для интерпретации геофизических данных использованы результаты петрофизических и геохимических исследований ксенолитов глубинных пород непосредственно с места проведения натурных экспериментов.

4. Впервые получены диаграммы Аррениуса для электропроводности «сухих» гранулитовых и лерцолитовых ксенолитов и эклогитов Южного Тянь-Шаня и определено содержание Н2О в оливине из лерцолитов Ортосуу методом ИК-спектроскопии.

5. Установлено, что для зоны сочленения Тарима и Тянь-Шаня остывание литосферы сопутствовало увеличению глубины залегания поверхности Мохо, за период ~70 млн лет температура на границе Мохо уменьшилась на ~100°С, глубина залегания увеличилась на 20 км.

Личный вклад. Основные результаты диссертационного исследования получены лично автором или при его непосредственном участии в