Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Тепловой поток территории Тувы по изотопно-гелиевым и геотермическим данным

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Тепловой поток территории Тувы по изотопно-гелиевым и геотермическим данным"

ОО'^4-0 -----На правах рукописи

РЫЧКОВА КЛАРА МОНГУШЕВНА

ТЕПЛОВОЙ ПОТОК ТЕРРИТОРИИ ТУВЫ ПО ИЗОТОПНО-ГЕЛИЕВЫМ И ГЕОТЕРМИЧЕСКИМ ДАННЫМ

Специальность: 25.00.10—геофизика,

геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧёнОЙ СТЕПЕНИ кандидата ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИХ НАУК

1 О ДЕК 2009

Новосибирск-2009

003487614

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН (Новосибирск) и Учреждении Российской академии наук Тувинском институте комплексного освоения природных ресурсов Сибирского отделения РАН (Кызыл)

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук Дучков Альберт Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук Лысак Светлана Васильевна кандидат технических наук Казанцев Сергей Алексеевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Геологический институт РАН (Москва)

Защита диссертации состоится 21 декабря 2009 г. в 9 ч 30 мин на заседании Диссертационного совета Д 003.068.03 при Учреждении Российской академии наук Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск-90, просп. Акад. Коптюга, 3, конференц-зал. Тел./факс (8-383) 333-25-13; e-mail NevedrovaNN@ipgg.nsc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГГ СО РАН (Новосибирск)

Автореферат разослан «13» ноября 2009 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета,

кандидат геолого-минералогических наук

^ifhky/ Н.Н. Неведрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования. Тепловой режим земной коры территории Тувы.

Актуальность исследований. Основным параметром, позволяющим оценить тепловой режим геологических структур, является внутриземной тепловой поток. Тепловой поток несёт важную информацию о глубинных температурах, фазовом состоянии, термических неоднородностях, термодинамических условиях в литосфере, которые в значительной степени определяют её напряжённо-деформированное состояние и интенсивность тектонических и сейсмических процессов.

В кайнозойскую эру в Алтае-Саянской складчатой области (АССО) произошла активизация тектономагматических процессов, в результате которых на территории Тувы сформировались горные хребты и значительные депрессии, а в восточной части, являющейся зоной сочленения с Байкальской рифтовой зоной, произошли крупные излияния базальтов, образовавшие Восточно-Тувинское лавовое нагорье (ВТЛН) и протяжённые долинные лавовые потоки. Вопрос о природе и масштабах тектономагматической активизации в Восточной Туве ещё остаётся открытым. В решении этой проблемы знание величины и пространственных вариаций теплового потока является необходимой составляющей.

Тепловой поток АССО изучался геотермическим методом с 60-х годов прошлого столетия сотрудниками ИГиГ СО АН СССР (Тепловое поле недр Сибири, 1987). Однако до сих пор очень мало измерений теплового потока выполнено в юго-восточной части области — на территории Тувы, являющейся одним из наиболее сейсмоактивных регионов. Тепловой поток был измерен здесь всего в десяти пунктах. Только три из них, зафиксировавшие аномально высокий тепловой поток, расположены в восточной части Тувы. Для оценки теплового режима литосферы, испытавшей тектономагматическую активизацию, необходимо получить новые данные о тепловом потоке Тувы.

Так как дальнейшее применение геотермического метода в Туве невозможно из-за отсутствия скважин, для решения задачи был использован, впервые в АССО, нетрадиционный изотопно-гелиевый метод оценки теплового потока по результатам изучения стабильных изотопов гелия (3Не и 4Не) во флюидах термальных источников (Поляк, 1988). Это требует проведения дополнительных исследований для оценки применимости метода в условиях Тувинского региона.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью более детального изучения распределения теплового потока в Тувинском регионе посредством применения изотопно-гелиевого метода с целью уточнения представлений о тепловом режиме литосферы, испытавшей тектономагматическую активизацию в кайнозое.

Цепь работы—оценка распределения теплового потока на территории Тувы геотермическим и изотопно-гелиевым методами, прогнозирование глубинных температур.

Научная задача—использовать изотопно-гелиевый метод для оценки теплового потока на территории Тувы. Задача решалась поэтапно:

1. Отбор проб газа и воды из термоминеральных источников Тувы, определение в них изотопов гелия.

2. Обработка результатов анализов, характеристика пространственного распределения изотопов гелия.

3. Вычисление теплового потока по соотношению изотопов гелия в термоминеральных источниках, составление карты теплового потока Тувы по геотермическим и изотопно-гелиевым данным.

4. Оценка глубинных температур имощности литосферы геотермическим методом.

Фактический материал, методы исследования. Фактическим материалом для решения поставленных задач стали результаты экспедиционных исследований автора в период 2004-2007 гг., полученные в ходе выполнения инициативного регионального проекта РФФИ № 05-05 97225 р-байкал_а и интеграционных проектов СО РАН 2006-2008 гг. (№ 87, 88), а также опубликованные данные, полученные другими исследователями на территории Тувы. В экспедиционные периоды автором проведено опробование 28 термоминеральных источников, расположенных на территории Тувы и юго-западной Бурятии с целью изотопно-геохимических исследований. Всего отобрано и проанализировано 58 проб спонтанного газа и воды. Анализ газовых и газосодержащих проб воды на изотопы гелия, неона и аргона проводился в Лаборатории геохронологии и геохимии изотопов ГИ КНЦ РАН (г. Апатиты). Автором выполнена обработка, интерпретация, системный анализ и обобщение опубликованных и фондовых материалов. Сформирован банк данных по результатам изотопно-геохимических анализов и определений теплового потока, выполненных прямым геотермическим и изотопно-гелиевым методами. Составлены карты пространственного распределения изотопов гелия и теплового потока Тувы.

Защищаемые научные результаты:

1. В восточной части Тувы выявлена обширная изотопно-гелиевая аномалия, свидетельствующая об аномальной разгрузке массопотока из мантии. Аномалия совпадает с областью проявления четвертичного вулканизма в Восточной Туве, но значительно превышает её по площади; на востоке она смыкается с аналогичной аномалией в Байкальской рифтовой зоне.

2. В восточной части Тувы по изотопно-гелиевым и геотермическим данным выявлена аномалия высокого теплового потока (порядка 70-80 мВт/м2), свидетельствующая об аномальной разгрузке теплопотока из мантии, возможно, обусловленной подъёмом в этом регионе астеносферы до 60-70 км.

Новизна работы. Личный вклад:

1. Автором проведено опробование термоминеральных источников Тувы и прилегающей территории на элементный и изотопный состав гелия и других благородных газов. В результате выявлена обширная изотопно-гелиевая аномалия на востоке Тувы, которая является продолжением изотопно-гелиевого максимума Тункинской и Хубсугульской впадин Байкальской рифтовой зоны и протягивается на юг в Монголию. Сделан вывод, что аномалия свидетельствует о наличии скрытого мантийного массопотока в литосфере Восточной Тувы, транспортирующего силикатное вещество и

глубинный гелий. Составлены схемы распределения отношений изотопов гелия для территории Тувы и Южно-Байкальской вулканической области. 2. Впервые в АССО автором использован изотопно-гелиевый метод для определения значений теплового потока. Выполнена оценка применимости этого метода для условий Тувы. Получено 16 новых оценок теплового потока в основном в восточной части региона. Показано, что флюиды источников Центральной и Западной Тувы, формирующиеся в зоне активного водообмена, содержат только атмосферные компоненты, что не позволяет привлекать их для оценки теплового потока. Новые данные позволили выявить и пространственно оконтурить обширную положительную аномалию теплового потока на востоке Тувы, которая является продолжением на запад аномалии теплового потока в пределах юго-западного фланга Байкальской рифтовой зоны. Эта обширная область высокого теплового потока обусловлена единым мантийным источником в недрах Южно-Байкальской вулканической области, поддерживающим развитие процессов рифтогенеза на территорию Тувы. Составлен банк данных по тепловому потоку и изотопам гелия. Составлена карта теплового потока Тувы. Сведения о тепловом потоке использованы для расчёта глубинных температур и мощности термической литосферы в Тувинском регионе.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись на международных и российских конференциях: VII Международной конференции «Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов» (Кызыл, 2005); Всероссийских совещаниях «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса» (Иркутск, 2006, 2007); «Разломообразование и сейсмичность в литосфере: тектоно-физические концепции и следствия» (Иркутск, 2009).

Материалы диссертации полностью изложены в 9 публикациях, из них 1 статья в ведущем рецензируемом научном журнале, определённом Высшей Аттестационной комиссией (Доклады АН), 1 — коллективная монография, 7 публикаций в трудах и материалах научных конференций.

Практическая значимость результатов. Выполненные исследования существенно улучшили геотермическую изученность территории Тувы (особенно её восточной части). Новые оценки теплового потока позволяют перейти к построению корректных тепловых моделей литосферы региона, необходимых для понимания геодинамических процессов, происходящих в зоне сопряжения Алтае-Саянской складчатой области и юго-западного фланга Байкальской рифтовой зоны. Наработанный в Туве опыт применения изотопно-гелиевого метода для оценки теплового потока может быть использован и в других районах АССО.

Структура и овъём работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и списка литературы из 73 наименований. Работа содержит 82 страницы машинописного текста, а также 8 таблиц, 15 рисунков и 6 фотографий.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю докт. геол.-мин. наук А.Д. Дучкову за советы и поддержку в проведении исследований и написании работы, докт. геол.-мин. наук Б.Г. Поляку, канд. хим. наук И.Л. Каменскому, чл.-кор. РАН В.В. Ярмолюку, докт. геол.-мин. наук М.Д. Хуторскому, канд. техн. наук Л.С. Соколовой, докт. геол.-мин. наук B.C. Кусковскому за ценные советы и обсуждения. Автор признателен директору ТувИКОПР СО РАН докт. геол.-мин. наук В.И. Лебедеву и зав. лаб. ТувИКОПР СО РАН канд. геол.-мин. наук A.A. Монгушу за поддержку и помощь в организации исследований и позитивную критику. Постоянная поддержка оказывалась со стороны коллег — сотрудников ТувИКОПР СО РАН: канд. геол.-мин. наук А. М. Сугораковой, О.Д. Аюновой, С.А. Чупиковой.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 "Краткий обзор геологии, геотермической изученности тувинского региона, нетрадиционных методов оценки теплового потока" приводятся основные сведения о геологическом строении региона, имеющиеся геотермические данные, рассмотрены нетрадиционные методы оценки теплового потока.

Тувинский регион расположен на юго-востоке Алтае-Саянской складчатой области (АССО), на востоке он граничит с Байкальской рифтовой зоной (БРЗ), на западе —с Горным Алтаем. Структура Тувинского региона сформировалась в результате воздействия нескольких этапов тектогенеза, протекавших в период от докембрия до раннего карбона включительно. На территории Тувы выделяются 5 структурно-формационных зон: байкалиды, салаириды (ранние каледо-ниды), каледониды, герциниды и зоны наложенных мезозойских впадин (Геология СССР..., 1966), которые, как правило, разделены протяжёнными глубинными разломами. Разломам принадлежит исключительная роль в формировании тектонической структуры не только Тувы, но и всей АССО. Вулканизм проявлялся неоднократно в палеозое и мезозое на всей территории Тувы. В кайнозойскую эру в АССО произошла активизация тектономагматических процессов, в результате чего на территории Тувы сформировались горные хребты и значительные депрессии, а в восточной части произошли крупные излияния базальтов, образовавшие Восточно-Тувинское лавовое нагорье (ВТЛН) и протяжённые долинные лавовые потоки. Кайнозойский континентальный вулканизм представлен следующими этапами: поздне-олигоцен-раннемиоценовым (>23 млн л.), среднемиоценовым (23-17 млн л.), миоцен-плиоценовым (17-6 млн л.) и плиоцен-плейстоцен-голоценовым (<2,5 млн л.) (рис. 1). Последний из них является наиболее масштабным. Он образует Восточно-Тувинский вулканический ареал, являющийся западной составной частью Южно-Байкальской вулканической области (ЮБВО), формирование которой связывается с «горячей точкой мантии» (Лебедев и др., 2001; Сугора-кова и др., 2003; Ярмолюк и др., 1995). Структурной особенностью области является трёхлучевая система грабенов: Тункинского, Хубсугульского и Окинс-кого. Последний вмещает Восточно-Тувинский вулканический ареал.

Рис. 1. Схема проявлений вулканизма в пределах Южно-Байкальской вулканической области (ЮБВО) (Сугоракова и др., 2003)

1-4 — поля вулканитов: 1 — >23 млн л., 2 — 23-17 млн п., 3 — 17-6 млн л., 4 — <2,5 млн л.; 5 — новейшие грабены и их номера (цифры в кружочках): 1 — Билин-Бусийнгольский, 2 — Дархатский, 3 — Хубсугульский, 4 — Тункинский, 5 — Азас-ский, 6 — Окинский; 6 — глубинные разломы; 7— граница ЮБВО (Ярмолюк и др., 1995).

В тувинском регионе выполнено 10 определений теплового потока стандартным геотермическим методом (по температурным измерениям в скважинах). В то же время, имеющиеся данные на участках Ак-Суг, Арыскан и Танзек показали, что восточная часть Тувы характеризуется высоким уровнем теплового потока. Аномальность теплового режима литосферы Восточной Тувы подтверждается и зафиксированными здесь проявлениями позднекайнозойского вулканизма, многочисленными термальными источниками (Пиннекер, 1968), а также геофизическими данными, свидетельствующими о возможной значительной роли мантийных плюмов в формировании литосферы региона (Ярмолюк и др., 1995; Зорин, Турутанов, 2005; Яковлев и др., 2007; Кулаков, 2008).

Поскольку отсутствие новых скважин не позволяет использовать традиционную методику определения теплового потока, была рассмотрена возможность применения нетрадиционных методов. В нашей стране был развит и получил определённую известность метод оценки теплового потока по результатам

изучения стабильных изотопов гелия ('Не и 4Не) во флюидах подземных источников (Поляк и др., 1979; Поляк, 1988; Хуторской и др.,1991; Хуторской, 1996; Лысак, Писарский, 1999). В результате этих исследований было установлено, что значения кондуктивного теплового потока и отношений стабильных изотопов гелия в подземных флюидах земной коры Л=(3Не/4Не) изменяются обратно пропорционально возрасту тектономагматической активности, увеличиваясь от древних структур к молодым. Изотопный состав гелия, попавшего из горных пород в подземные флюиды, стечением времени усредняется и становится, как и средний тепловой поток, региональной характеристикой геоблока. Зоны максимальных средних значений я и Я отвечают областям наиболее интенсивного проявления тектономагматических процессов, а минимальные — древним тектонически стабильным структурам континентов. Соотношения значений ц и я в одних и тех же пунктах исследовались методами математической статистики. В итоге установлено, что параметры q и Я, являясь индикаторами интенсивности современного тепломассо-переноса из недр литосферных блоков мантии, связаны между собой корреляционной зависимостью: я (мВт/м2)= 18,23 №+181,82.

Эта связь была подтверждена постановкой специальных экспериментальных работ в горах Богемии (Поляк и др., 1982) и втом же году японскими исследователями. С накоплением данных корреляция д и Я была проверена и подтверждена в различных регионах мира.

Полученная формула даёт принципиальную возможность определить тепловой поток по концентрации изотопов гелия в подземных флюидах.

В главе 2 "Изотопы гелия в поздемных флюидах Тувы" приведена методика отбора проб из термальных источников Тувы, изложены принципы интерпретации результатов изотопно-геохимического анализа этих проб, а также представлено пространственное распределение изотопов гелия во флюидах источников.

Автором отобраны пробы спонтанного газа и воды из 28 источников, представляющих практически все гидроминеральные области территории Тувы и прилегающих районов Бурятии и Горного Алтая. Отбор проб проводился согласно апробированным методикам. Анализ проб выполнялся в лаборатории геохронологии и геохимии изотопов Геологического института КНЦ

Рис. 2. Распределение изотопных отношений И^Не^Ие и 4Нс/"№ в термоминеральных источниках Тувы

Таблица 1. Измеренные ) и исправленные (И.^ф) отношения стабильных изотопов гелия во флюидах термальных источников Тувы,

доля мантийной компоненты в общем количестве Не в пробе (Не„/Не„р) и изотопно-гелиевые оценки теплового потока (д)

№ Источник rnmlo41 rulnp.lO"8 He„/Hellp, % <ь , мВт/м"

1 Холон-Угун 155 156 13 76

2 Шутхулай 210 214 18 78

3 Хойто-Гол 62 62 5 69

4 Красные камни 162 162 13 76

5 Чойган 420 422 37 84

6 Биче-Соруг 179 196 16 77

7 Тарыс 41 41 3 65

9 Уш-Бельдир 54 54 5 68

10 Маймалыш 129 129 11 74

11 Салдам 44 43 4 66

12 Азасский 129 121 10 74

13 Нарын 45 44 4 66

14 Кара-Чарык 37 5 <1 49

16 Сватиково 65 63 5 69

26 Шуйский 24 21 2 60

28 Джумалинский 9,8 9,7 <1 54

РАН (г. Апатиты). Всего отобрано и проанализировано 58 проб. Контрольные анализы свидетельствуют о хорошем качестве отбора проб и достоверности результатов, которые частично показаны на рис. 2 ив табл. 1.

На рис. 2 результаты представлены в координатах R='He/4He и 4He/2llNe. Ромб «АТМ» отвечает атмосферному гелию, а линии «МАНТИЯ» и «КОРА» соответствуют смешению чисто «мантийного» и «корового» гелия с «атмосферным». Пунктирные линии разграничивают наличие мантийного гелия свыше 5 и менее 1 % к общему количеству гелия в пробах. Расположение проб источников № 8, 15, 17-25, 27 в районе ромба «АТМ» указывает на то, что они характеризуются атмосферными значениями 'Не/4Не и 4He/20Ne. Воды этих источников не содержат сколько-нибудь заметной глубинной компоненты, что заставило их исключить из дальнейшего рассмотрения. Расположение остальных проб между линиями мантии и коры указывает на то, что они содержат в разных соотношениях мантийный и коровый гелий. Для этих проб по формуле

R,»,P=[R™ (4He/20Ne)„,u-R (4He/2»Ne)J / [(4He/2"Ne)„.,u 44He/MNe)a]

была рассчитана истинная величина R . В результате обработки анализов отобраны пробы из 16-ти источников (см. табл. 1), в которых определены значения Ru и доля мантийного гелия в пробе. Эти значения R и были

иопр. " г" нспр.

использованы в дальнейшем для оценки теплового потока.

По полученным данным была выявлена обширная изотопно-гелиевая аномалия на востоке Тувы, в пределах которой R изменяется от 45-1О8 до 422-Ю"8. Указанные величины значительно превышают фоновое значение R для палеозойской коры, составляющее порядка 10-10-8 (Поляк, 1988). Это прямо указывает на современное поступление мантийного гелия в земную кору в этом регионе (Рычкова и др., 2004, 2005). Максимальные значения R приурочены к восточному флангу Восточно-Тувинского лавового нагорья, а также к юго-западному флангу Азасского грабена (рис. 3). Наибольшее значение R^ =422-10 8 обнаружено в газах углекислого термоочага Чойган. Расчётное значение мантийного гелия здесь достигает 26-37 %. Максимальная величина

Рис. 3. Отношения изотопов гелия в термоминеральных флюидах Южно-Байкальской вулканической области

1-5 — значения изотопов гелия в пробе (красным цветом показаны авторские пробы, синим — пробы по опубликованным данным (Поляк и др., 1994; Лысак, Писарский, 1 999)): 1 — <18x10"8, 2 — (18-54)х10"8, 3 — (54-140)х10"8, 4 — (140-420)х10'8, 5 — >420х10"8 (геологическую ситуацию см. на рис. 1).

а для источника Чойган превышает аналогичный параметр, установленный в Хубсугульской впадине (Яшкс=290-10'8) и на западном фланге Тункинской впадины (Кткс=280-10-8), и уступает лишь субмантийным значениям Кмакс=(620-1120>10-8 в центральной части Тункинской впадины. Это свидетельствует о продолжении и, быть может, усилении мантийного сигнала к северо-западу от Тункинской впадины в пределах Окинского грабена Южно-Байкальской вулканической области. К югу, в центральной и южной части субмеридионального Билин-Бусийнгольского грабена, наблюдается монотонное понижение Я от 54-Ю-8 до 41-Ю"8. Этот грабен является крайним западным звеном Прихуб-сугульской системы впадин.

Указанные величины совпадают с данными по Хубсугульской впадине и продолжаются далее на юг в Монголию (источник Тошинт, К=42-108 (Поляк, 1994)). Такое распределение изотопов гелия на востоке Тувы находится в соответствии с открытыми проявлениями позднекайнозойского вулканизма в Южно-Байкальской вулканической области. Центр магматической активизации

расположен в пределах Восточно-Тувинского лавового нагорья. Билин-Бусийн-гольский грабен, являясь магмоконтролирующей структурой в северной своей части, в центральной и южной — практически амагматичен. Монотонные и относительно высокие значения Я в юго-восточной части Тувы фиксируют протяжённую закрытую зону современной разгрузки массопотока, свидетельствующую о высоком положении астеносферы в этом районе. Всё сказанное хорошо согласуется с новейшими неотектоническими движениями и магматической активностью в регионе. Выявленная аномалия является продолжением изотопно-гелиевой аномалии юго-западного фланга Байкальской риф-товой зоны и свидетельствует о продолжении рифтогенных процессов на территорию Тувы.

В Центральной и Западной Туве лишь три источника (Сеатиково, Шуйский и Джумалинский) содержат заметную глубинную компоненту. Первые два источника требуют доизучения. Величины II Джумалинского термального источника и источника Чихирт в горах Монгольского Алтая (Поляк, 1994), удалённого от Джумалинского на 180 км к юго-востоку, практически совпадают. Возможно, что именно такой уровень Я наиболее достоверно характеризует гелиевый поток в западной, не активизированной в кайнозое, части Тувы и в Горном Алтае.

В главе 3 "Тепловой поток Тувинского региона по изотопно-гелиевым и геотермическим данным" приведена характеристика теплового потока по изотопно-гелиевым и геотермическим данным и прогноз глубинных параметров. Геотермические исследования были выполнены ранее на 10-ти участках Тувы. Из них 7 участков располагаются в центральных и западных районах (Тувинский межгорный прогиб и его окраины) и три — в восточной части Тувы. Тепловой поток по этим данным изменяется от 31 до 77 мВт/м2. Максимальные значения, составляющие 60-77 мВт/м2, зарегистрированы в Восточной Туве. На западе Тувы тепловой поток заметно ниже, составляя в среднем 41 мВт/м2 при изменениях от 31 до 50 мВт/м2.

Используя корреляционную зависимость между я и Я, были выполнены оценки теплового потока (см. табл. 1). Новые данные позволили выявить обширную тепловую аномалию на востоке Тувы. Здесь наблюдается почти идеальное совпадение результатов геотермического и изотопно-гелиевого методов, что подтверждает корреляционную зависимость между тепловым потоком и изотопами гелия во флюидах минеральных источников для востока Тувы. Схемы распределения теплового потока в пределах Тувы и ЮБВО приведены на рисунках 4 и 5.

Из рисунка 4 следует, что применение нетрадиционного изотопно-гелиевого метода позволило выявить и оконтурить на востоке Тувы обширную аномалию теплового потока, которая была лишь обозначена ранее по геотермическими измерениями в двух пунктах (Дучков, Соколова, 1974).

Максимальные значения от 69 до 84 мВт/м2 приурочены к зоне сопряжения Окинского и Азасского грабенов (восточный фланг ВТЛН). В Восточном Саяне (район Ак-Суг-Арыскан) тепловой поток по геотермическим данным

Рис. 4. Схема распределения теплового потока на территории Тувы по изотопно-гелиевым и геотермическим данным (геологическая основа по A.M. Сугораковой, 2003)

1 — байкалиды; 2— салаириды; 3— каледониды; 4— герциниды; 5— мезозойские наложенные впадины; 6-8— вулканические кайнозойские поля: 6 — четвертичные, 7 — среднемиоценовые, 8 — позднеолигоцен-раннемиоценовые; 9 — глу- | бинные разломы: а — достоверные, б— предполагаемые; 10 — новейшие грабены; 11 — пункты определения теплового потока, его величина в мВт/м2: а — геотермическим методом; б— по изотопам гелия; 12 — изолинии теплового потока в мВт/м2.

составляет 76 мВт/м2. К западу и юго-западу тепловой поток постепенно уменьшается. Так, в центре Билин-Бусийнгольского грабена qR составляет 68 мВт/м2 (источник Уш-Бельдир). Сохранение таких же сравнительно высоких значений qR(B среднем 66 мВт/м2) и далее на юг вдоль по простиранию грабена свидетельствует о наличии глубинного мантийного источника, не проявляющегося на поверхности следами вулканической деятельности. По сравнению с Восточно-Тувинским лавовым нагорьем Билин-Бусийнгольский грабен, кроме I пониженного qR, амагматичности, отличается и высокой сейсмичностью.

Увеличение теплового потока, наблюдаемое к северу по оси Билин-Бусийн-гольской впадины (в районе лавового нагорья), отражает нарастание интенсивности тектономагматической активизации. В пределах Сангиленского массива две оценки определения теплового потока геотермическим и изотопно-гелиевым методами согласуются и дают среднюю величину 63 мВт/м2. Таковы параметры аномалии теплового потока в восточной части Тувы. На запад она скорее всего простирается примерно до 96° в.д. (на 130 км к западу \ от центра Билин-Бусийнгольской впадины), где ограничивается значениями qR=49 мВт/м2 (источник Кара-Чарык) и q=50 мВт/м2 (участок Тардан).

Рис. 5. Схема распределения теплового потока по изотопно-гелиевым и геотермическим данным в пределах ЮБВО

1, 2— пункты определения теплового потока изотопно-гелиевым (1) и геотермическим (2) методами (цифры — величина теплового потока в мВт/м2) (красным цветом показаны авторские пробы, синим — пробы по опубликованным данным (Хуторской и др., 1991; Лысак, Писарский, 1999; Соколова, Дучков, 2008); геологическую ситуацию см. на рис. 1).

Аномально высокие тепловые потоки и фиксируемые на поверхности продукты позднекайнозойского вулканизма однозначно свидетельствуют о существенном прогревании восточного литосферного блока Тувы. Пониженные, но всё ещё аномальные, значения qR отмечаются скорее всего там, где аномальный тепломассопоток ещё не достиг земной поверхности. Изотопный состав свидетельствует о наличии значительного количества мантийного гелия в подземных флюидах, а тепловая аномалия подтверждает вывод (Яковлев и др., 2007), что сейсмически низкие скорости, выявленные в мантии этого района, могут быть обусловлены аномальным прогреванием литосферы. Все изученные в Восточной Туве источники расположены в структурно-формационных зонах байкалид и ранних каледонид, средние фоновые значения теплового

потока для которых соответственно составляют 34-44 мВт/м2 (Тепловое поле..., 1987). Полученные же здесь оценки qx и qR значительно превосходят приведённые фоновые значения и однозначно указывают на дополнительный привнос тепла из мантии, провоцирующий в верхах литосферы активную гидротермальную циркуляцию. Выявленная аномалия теплового потока является продолжением на запад (на расстояние до 140 км) тепловой аномалии, ранее зафиксированной в пределах Тункинской и Хубсугульской рифтовых впадин (см. рис. 5) (Хуторской, 1996).

В Центральной и Западной Туве по геотермическим данным фиксируется нормальный для палеозойских структур низкий тепловой поток, изменяющийся в пределах 37-50 мВт/м2. Полученные здесь (источники Сватиково и Шуйский) два значения qR равные 69 и 60 мВт/м2 значительно превосходят геотермические оценки. Необходимо провести дополнительное изучение этих источников для уточнения достоверности оценок qR. На данном этапе для оценки среднего значения теплового потока (41 мВт/м2) в западной части Тувы использованы только геотермические данные.

Таким образом, можно отметить, что территория Тувы делится по уровню теплового потока на две части — восточную (примерно от 96° в.д. до восточной границы Тувы) и западную (см. рис. 4). Восточная Тува характеризуется аномально высоким тепловым потоком, достигающим 84 мВт/м2 вблизи Восточно-Тувинского лавового нагорья. Для Западной Тувы характерны невысокие значения теплового потока порядка 37-50 мВт/м2. Сравнение прямых и изотопно-гелиевых оценок теплового потока на территории Тувы показало их хорошую сходимость в восточной части, где источником тепловой аномалии является глубинный объект. В западной части Тувы наблюдается заметное различие полученных единичных значений qR с геотермическими данными. Для выяснения причин требуется продолжение работ в этом направлении.

Выполненные исследования позволили ограничить с запада аномалию теплового потока в пределах Южно-Байкальской вулканической области. Предполагается, что эта аномалия связана с общим разогреванием литосферы этой области, о чём свидетельствуют результаты глубинных геофизических исследований (Зорин, 2005; Яковлев, 2007; Кулаков, 2008).

Новые определения теплового потока использованы для приближённой оценки глубинных температур и мощности термической литосферы в Тувинском регионе. Температура на фиксированных глубинах рассчитывалась геотермическим методом, описанным в работе (Тепловое поле..., 1987). Расчёты свидетельствуют, что в Восточной Туве при условии стационарного теплового режима температура на глубине 50 км может достигать 900-1100°С, а мощность термической литосферы составляет 50-70 км. Эти оценки подтверждают мнение о том, что в Южно-Байкальской вулканической области идёт процесс «отжимания материала астеносферной линзы на её фланги» (Ярмолюк и др., 1995). В западной части Тувы литосфера охлаждена, её мощность увеличивается до 150-180 км.

Применение нетрадиционного изотопно-гелиевого метода оценки теплового потока позволило существенно улучшить геотермическую изученность Тувинского региона.

Заключение

Выполнена работа по определению и уточнению теплового потока, значений глубинных температур и мощности литосферы в малоизученном Тувинском регионе (юго-восточная часть Алтае-Саянской складчатой области). Впервые в АССО здесь был применён нетрадиционный газогеохимический метод оценки теплового потока, основанный на использовании прямой корреляционной связи между с} и отношением изотопов гелия (Я=3Не/4Не). Выполнено изучение концентрации изотопов гелия, а также № и Аг в пробах спонтанного газа и воды из 28 подземных источников Тувы, Западной Бурятии и Горного Алтая. На востоке Тувы выявлена обширная изотопно-гелиевая аномалия, в пределах которой значение Я изменяется от 40-108 до 422-1(У8. Аномалия захватывает Тоджинскую котловину, Восточно-Тувинское нагорье и нагорье Сангилен. Она свидетельствует о разгрузке массопотока на гораздо большей территории, чем это было установлено по данным о распространении продуктов новейшего вулканизма (Восточно-Тувинское лавовое нагорье), и является продолжением изотопно-гелиевой аномалии юго-западного фланга Байкальской рифтовой зоны. Высокие и повышенные значения изотопов гелия увязываются с новейшими неотектоническими движениями и отражают магматическую активность в регионе. Результаты изучения источников Западной Тувы требуют дополнительной проверки.

Оценка теплового потока по изотопам гелия во флюидах термальных источников Тувы произведена в 16-ти пунктах. В результате установлено, что Восточная Тува (от границы с Бурятией до 96° в.д.) характеризуется аномально высоким тепловым потоком. Применение изотопно-гелиевого метода позволило существенно улучшить геотермическую изученность Тувы. Максимальные значения q (до 84 мВт/м2) установлены на северо-востоке Тувы в районе наиболее активного проявления четвертичного вулканизма (район ВТЛН). Пониженные значения до 65-68 мВт/м2 отвечают амагматичному в южной части Билин-Бусийнгольскому грабену и указывают на существование скрытого тепломассо-потока. Выявленная тепловая аномалия на востоке Тувы является продолжением тепловой аномалии юго-западного фланга Байкальской рифтовой зоны.

Западная Тува (к западу от 96° в.д.) по геотермическим данным характеризуется низким тепловым потоком порядка 40-45 мВт/м2. Вероятно, что эта часть территории Тувы не была затронута тектономагматической активизацией в кайнозое.

Совпадающие изотопно-гелиевая и теплопотоковая аномалии на востоке Тувы коррелируют с проявлениями кайнозойского магматизма, сейсмичностью, новейшими неотектоническими движениями и, скорее всего, обусловлены единым процессом тектономагматической активизации, вероятно, связанным с мантийным источником (астеносферной линзой), расположенным в недрах Южно-Байкальской вулканической области.

Результаты проведённых исследований подтверждают предположение о «процессе отжимания материала астеносферной линзы на её фланги, стимулируя тем самым тектономагматическую активность в краевых участках Южно-Байкальской вулканической области» (Ярмолюк и др., 1995) и свидетельствуют о продолжении процессов рифтогенеза на территорию Тувы примерно до 96° в.д.

Установлено, что по распределению изотопов гелия в подземных флюидах и теплового потока восточная и западная части земной коры резко различны. Восточная часть значительно прогрета, мощность термической литосферы здесь не превышает 50-70 км, а температура на глубине 50 км может составлять 1100-1200°С. В западной части глубинные температуры на той же глубине примерно в два раза ниже, а мощность термической литосферы увеличивается до 120-150 км.

Публикации по теме диссертации

1. Рычкова K.M., Лебедев В.И., ДучковА.Д., Каменский И.Л., Аюнова О.Д. Изотопно-гелиевые исследования термальных флюидов (Восточная Тува) // Состояние и освоение природных ресурсов Тувы и сопредельных регионов Центральной Азии. Геоэкология природной среды и общества / Отв. ред. докт. геол.-мин. наук

B.И. Лебедев. - Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2004. - С. 101-103.

2. Рычкова K.M., Лебедев В.И. Изотопы гелия в термальных флюидах Восточной Тувы // Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов: Материалы VII Междунар. конф. (19-23 сент. 2005 г., Кызыл): В 2-х томах / Отв. ред. докт. геол.-мин. наук В.И. Лебедев, докт. биол. наук С.О. Ондар, докт. экон. наук Ю.Г. Полулях. - Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2005. - Т. 1. - С. 59-62.

3. Рычкова K.M., Лебедев В.И. Прогнозные геотермические параметры литосферы Восточной Тувы // Состояние и освоение природных ресурсов Тувы и сопредельных регионов Центральной Азии. Геоэкология природной среды и общества: Вып. 8 I Отв. ред. докт. геол.-мин. наук В.И. Лебедев. - Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2005. -

C. 100-103.

4. Лебедев В.И., Рычкова K.M., ДучковА.Д, Каменский И.Л., Чупикова С.А. Сейсмичность Южной Сибири и прогноз тектономагматической активизации в регионе // Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов: Материалы VII Междунар. конф. (19-23 сент. 2005 г., Кызыл): В 2-х томах / Отв. ред. докт. геол.-мин. наук В.И. Лебедев, докт. биол. наук С.О. Ондар, докт. экон. наук Ю.Г. Полулях. - Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2005. - Т. 1. - С. 39-43.

5. Лебедев В.И., Энжин Г., Ярмолюк В.В., Козаков И.К, Ковач В.П., Коваленко Д.В., Козловский A.M., Кудряшова Е.А., МонгушА.А., ОйдупЧ.К, Рычкова K.M., Сугора-коваА.М., Саватенков В.М., Чернов Е.Е. Об индикаторных комплексах геодинамических обстановок формирования континентальной коры Центрально-Азиатского складчатого пояса (по результатам экспедиций 2006 г.) // Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту): Материалы науч. совещ. по интеграционным программам Отделения наук о Земле СО РАН (16-20 окт. 2006 г., Иркутск). - Иркутск: Ин-т земной коры СО РАН, 2006. -Т. 1. - С. 200-202.

6. Континентальная кора Тувино-Монгольского сегмента Центрально-Азиатского складчатого пояса и сопредельных территорий: источники, геодинамические обстановки, этапы формирования и металлогения (2004-2006 гг.): Отчёт по Конкурсному проекту СО РАН № 26.2.6 / Отв. ред. докт. геол.-мин. наук В.И. Лебедев. - Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2006. - 50 с. (автоский вклад в работу — 0,2 усл. печ. л. (с. 26-28))

7. Рычкова K.M., Дучков А.Д., Лебедев В.И., Каменский И.Л. Изотопы гелия в термальных источниках и тепловой поток востока Тувы II Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту): Материалы Всерос. науч. совещ. (9-14 сент. 2007 г., Иркутск). - Иркутск: Ин-т земной коры СО РАН, 2007. - Т. 2. - С. 52-53.

8. Рычкова K.M., Дучков А.Д., Лебедев В.И., Каменский И.Л. Изотопы гелия в подземных источниках Восточной Тувы // Докл. АН. - 2007. - Т. 417. - № 6. - С. 814-817.

9. Дучков А Д, Соколова Л.С., Рычкова K.M. Тепломассопоток из мантии Восточной Тувы по изотопно-гелиевым и геотермическим данным // Разломообразование и сейсмичность в литосфере: тектонофизические концепции и следствия: Материалы Всерос. совещ. (18-21 авг. 2009 г., Иркутск): В 2-х томах. - Иркутск: Ин-т земной коры СО РАН, 2009. - Т. 2.- С. 184-186.

Рычкова Клара Монгушевна

ТЕПЛОВОЙ ПОТОК ТЕРРИТОРИИ ТУВЫ ПО ИЗОТОПНО-ГЕЛИЕВЫМ И ГЕОТЕРМИЧЕСКИМ ДАННЫМ:

Автореферат диссертации

на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

Оригинал-макет, вёрстка С.С. Лемешева; графика Л.А. Непомнящая

Подписано к печати 11.11.2009 Оригинал-макет подготовлен и тираж отпечатан

Формат 60x84/16 в Учреждении Российской академии наук Тувинском институте

Гарнитура «Arial» комплексного освоения природных ресурсов

Печать лазерная Сибирского отделения РАН (ТувИКОПР СО РАН)

Печ. п. 1,0. Уч.-изд. л. 1,1 667007, Кызыл, Республика Тыва (Россия),

Тираж 100 экз. Заказ 107 ул. Интернациональная, 117-а

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Рычкова, Клара Монгушевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. КРАТКИЙ ОБЗОР ГЕОЛОГИИ, ГЕОТЕРМИЧЕСКОЙ ИЗУЧЕННОСТИ ТУВИНСКОГО РЕГИОНА, НЕТРАДИЦИОННЫХ

МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

1.1. Геология Тувинского региона.

1.2. Геотермическая изученность Тувинского региона

1.3. Нетрадиционные методы оценки теплового потока

Глава 2. ИЗОТОПЫ ГЕЛИЯ В ПОДЗЕМНЫХ ФЛЮИДАХ ТУВЫ

2.1. Характеристика подземных вод Тувы.

2.2. Отбор и анализ проб.

2.3. Принципы интерпретации данных

2.4. Результаты измерения изотопного состава гелия во флюидах источников Тувы

Глава 3. ТЕПЛОВОЙ ПОТОК ТУВИНСКОГО РЕГИОНА ПО

ИЗОТОПНО-ГЕЛИЕВЫМ И ГЕОТЕРМИЧЕСКИМ ДАННЫМ.

3.1. Тепловой поток Тувы по геотермическим измерениям (ят).

3.2. Оценки теплового потока Тувы по отношению изотопов гелия (яя).

3.3. Распределение теплового потока в Тувинском регионе по геотермическим и изотопно-гелиевым данным

3.4. Прогноз температурного режима в литосфере Тувинского региона геотермическим методом.

3.4.1 Глубинные температуры

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Тепловой поток территории Тувы по изотопно-гелиевым и геотермическим данным"

Объект исследования. Тепловой режим земной коры территории

Тувы

Актуальность исследований. Основным параметром, позволяющим оценить тепловой режим геологических структур является внутриземной тепловой поток. Тепловой поток несет важную информацию о глубинных температурах, фазовом состоянии, термических неоднородностях, термодинамических условиях в литосфере, которые в значительной степени определяют ее напряженно-деформированное состояние и интенсивность тектонических и сейсмических процессов.

В кайнозойскую эру в Алтае-Саянской складчатой области (АССО) произошла активизация тектономагматических процессов, в результате которых на территории Тувы сформировались горные хребты и значительные депрессии, а в восточной части, являющейся зоной сочленения с Байкальской рифтовой зоной, произошли крупные излияния базальтов, образовавшие Восточно-Тувинское лавовое нагорье (ВТЛН) и протяженные долинные лавовые потоки. Вопрос о природе и масштабах тектономагматической активизации в Восточной Туве еще остается открытым. В решении этой проблемы знание величины и пространственных вариаций теплового потока является необходимой составляющей.

Тепловой поток Алтае-Саянской складчатой области (АССО) изучался геотермическим методом с 60-ых годов прошлого столетия сотрудниками ИГиГ СО АН СССР (Тепловое поле недр Сибири, 1987). Однако до сих пор очень мало измерений теплового потока выполнено в юго-восточной части области — на территории Тувы, являющейся одним из наиболее сейсмоактивных регионов АССО. Всего здесь тепловой поток был измерен в десяти пунктах. Только три из них, зафиксировавшие аномально высокий тепловой поток, расположены в восточной части Тувы. Для оценки теплового режима литосферы, испытавшей тектономагматическую активизацию, необходимо получить новые данные о тепловом потоке Тувы.

Так как дальнейшее применение геотермического метода в Туве невозможно из-за отсутствия скважин, для решения задачи был использован, впервые в АССО, нетрадиционный изотопно-гелиевый метод (Поляк, 1988) оценки теплового потока по результатам изучения стабильных изотопов гелия {Не и Не4) во флюидах термальных источников. Это требует проведения дополнительных исследований для оценки применимости метода в условиях Тувинского региона.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью более детального изучения распределения теплового потока в Тувинском регионе посредством применения изотопно-гелиевого метода с целью уточнения представлений о тепловом режиме литосферы, испытавшей тектономагматическую активизацию в кайнозое.

Цель исследования — оценка распределения теплового потока на территории Тувы геотермическим и изотопно-гелиевым методами, прогнозирование глубинных температур.

Научная задача - использовать изотопно-гелиевый метод для оценки теплового потока на территории Тувы. Задача решалась поэтапно:

1. Отбор проб газа и воды из термоминеральных источников Тувы, определение в них изотопов гелия.

2. Обработка результатов анализов, характеристика пространственного распределения изотопов гелия.

3. Определение теплового потока по концентрации изотопов гелия в термоминеральных источниках, составление карты теплового потока Тувы по геотермическим и изотопно-гелиевым данным.

4. Оценка глубинных температур и мощности литосферы геотермическим методом.

Фактический материал, методы исследования. Фактическим материалом для решения поставленных задач явились результаты экспедиционных исследований автора в период 2004-2007 гг, полученные в ходе выполнения инициативного регионального проекта РФФИ № 05-05 97225 р-байкал-а в течении 2005-2007 годов и интеграционных проектов СО РАН (№№ 87, 88), а также данные, полученные другими авторами при выполнении геотермических исследований на территории Тувы. Автором проведено в экспедиционный период опробование газо-водяных флюидов из термоминеральных источников, расположенных на территории Тувы и юго-западной Бурятии с целью изотопно-геохимических исследований. Всего опробовано 28 источников, проанализировано 58 проб на изотопы гелия, неона и аргона. Анализ газовых и газосодержащих проб на изотопы гелия и другие благородные газы проводился в Лаборатории геохронологии и геохимии изотопов ГИ КНЦ РАН (г. Апатиты) к.х.н. И.Л. Каменским. Автором выполнена обработка, интерпретация, системный анализ и обобщение опубликованных и фондовых материалов. Сформирован банк данных по результатам изотопно-геохимических анализов и оценок теплового потока, определенных прямым геотермическим и газогеохимическим методами. Составлены карты пространственного распределения изотопов гелия и теплового потока Тувы.

Защищаемые научные результаты:

1. В восточной части Тувы выявлена обширная изотопно-гелиевая аномалия, свидетельствующая об аномальной разгрузке массопотока из мантии. Аномалия совпадает с областью проявления четвертичного вулканизма в Восточной Туве, но значительно превышает ее по площади. На востоке она смыкается с аналогичной аномалией в Байкальской рифтовой зоне.

2. В восточной части Тувы выявлена по изотопно-гелиевым и геотермическим данным аномалия высокого теплового потока (порядка 70-80 мВт/м"), свидетельствующая об аномальной разгрузке теплопотока из мантии, возможно обусловленной подъемом в этом регионе астеносферы до 60-70 км.

Новизна работы. Личный вклад: Автором проведено опробование термоминеральных источников Тувы и прилегающей территории на элементный и изотопный состав гелия и других благородных газов. В результате выявлена обширная изотопно-гелиевая аномалия на востоке Тувы, которая является продолжением изотопно-гелиевого максимума Тункинской и Хубсугульской впадин Байкальской рифтовой зоны и протягивается на юг в Монголию. Аномалия свидетельствует о скрытом массопотоке на обширной территории Восточной Тувы. Местоположение аномалии отвечает зоне развития новейшего вулканизма на западной периферии Южно-Байкальской вулканической области и свидетельствует о наличии в недрах региона массопереноса силикатного вещества мантии, транспортирующего и мантийный гелий. Составлены схемы распределения отношений изотопов гелия для территории Тувы и Южно-Байкальской вулканической области.

Впервые для определения теплового потока в Алтае-Саянской складчатой области автор использовала изотопно-гелиевый метод. Выполнена оценка применимости этого метода для определения теплового потока Тувы. Получено 16 новых оценок теплового потока в основном для восточной части региона. В то же время показано, что флюиды источников Центральной и Западной Тувы, формирующихся в зоне активного водообмена, существенно обогащены (контаминированы) атмосферными компонентами и поэтому не пригодны для оценки теплового потока. Новые данные позволили выявить и пространственно оконтурить обширную положительную аномалию теплового потока на востоке Тувы, которая является продолжением на запад аномалии теплового потока в пределах юго-западного фланга Байкальской рифтовой зоны. Эта обширная область высокого теплового потока обусловлена единым мантийным источником в недрах Южно-Байкальской вулканической области, поддерживающим развитие процессов рифтогенеза на территорию Тувы. Составлен банк данных по тепловому потоку и изотопам гелия. Составлена карта теплового потока Тувы. Сведения о тепловом потоке использованы для расчета глубинных температур и мощности термической литосферы в Тувинском регионе.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись на меяедународных и российских конференциях: VII Международная конференция «Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов» (г. Кызыл, 2005); Всероссийское совещание «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса» (Иркутск, 2006); Всероссийское совещание «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного пояса (от океана к континенту)» (Иркутск, 2007); Всероссийское совещание «Разломообразование и сейсмичность в литосфере: тектонофизические концепции и следствия» (Иркутск, 2009).

Материалы диссертации полностью изложены в 9 публикациях, из них 1 статья в ведущем рецензируемом научном журнале, определенном Высшей Аттестационной комиссией (Доклады АН), 1 - коллективная монография, 7 публикаций в трудах и материалах научных конференций.

Практическая значимость результатов. Результаты исследований могут быть использованы научными и производственными организациями геологического профиля при проведении геологических и геофизических исследований, а также для построения корректных моделей литосферы при геодинамическом моделировании процессов, происходящих в недрах юго-восточной части Алтае-Саянской складчатой области. Распределение температур по глубине дает возможность оценить термоупругие свойства среды, которые являются одной из необходимых компонент при прогнозе землетрясений.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и списка литературы из 73 наименований. Работа содержит 8 таблиц, 15 рисунков и 6 фотографий и занимает 82 страницы машинописного текста.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Рычкова, Клара Монгушевна

3.5 Выводы к главе 3

В результате применения нетрадиционного изотопно-гелиевого метода оценки теплового потока автору удалось существенно улучшить геотермическую изученность Тувинского региона.

Сопоставление расчетных qR с данными прямых наблюдений на востоке Тувы показало их полное совпадение. Это позволило уточнить распределение теплового потока, выяснить геотермический режим востока Тувы, используя оба метода. В западной части Тувы наблюдается несогласованность прямых оценок теплового потока с изотопными, что не позволило нам использовать нетрадиционный метод, но требует дальнейшего изучения.

Установлено, что по величине теплового потока четко разделяются литосфера Восточной (от границы с Бурятией до 96° в.д.) и Западной Тувы.

Восточная Тува характеризуется аномально высоким тепловым потоком, достигающим 84 мВт/м . Аномалия имеет глубинный генезис и является продолжением на запад Байкальской аномалии. Как показали расчеты глубинных температур интенсивное прогревание литосферы на востоке Тувы обусловлено более высоким положением астеносферной линзы (50-70 км).

Центральная и Западная Тува в целом характеризуются низким тепловым потоком (на уровне 40-50 мВт/м ), хотя изотопно-гелиевый метод дал здесь несколько высоких значений q, природа которых осталась пока не выясненной. Соответственно западная часть литосферы менее прогрета, а мощность увеличивается до 150-180 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнена работа по определению и уточнению теплового потока. (ц), прогнозных глубинных температур и мощности литосферы малоизученном Тувинском регионе (юго-восточная часть Алтае-СаянскохЗс складчатой области). Для оценки теплового потока на этой в основном разбуренной территории автор применил впервые нетрадиционнытЗг: газогеохимический метод, основанный на изучении изотопов гелия ( Не хзг 4Не) во флюидах подземных источников и использовании прямой^ корреляционной связи между q и отношением изотопов гелия (Я= 3Не/4Не) —

Выполнено изучение концентрации изотопов гелия, а также Ие и в пробах газа и воды из 28-ми подземных источников Тувы, западнозиг Бурятии и Горного Алтая (табл. 1).

Выполнена интерпретация результатов анализов, позволившая отбраковать пробы, контаминированные воздухом и отобрать пробы по источникам, содержащим мантийный гелий и пригодным для оценкип теплового потока по исправленным значениям Я (Киспр).

Максимальные значения Киспр = (38^422)-10"8 зафиксированы на востоке Тувы. Здесь выявлена обширная изотопно-гелиевая аномалия:-, захватывающая Тоджинскую котловину, Восточно-Тувинское нагорье и: нагорье Сангилен. Выявленная аномалия свидетельствует о разгрузке^ массопотока на гораздо большей территории, чем это было установлено по данным о распространении продуктов новейшего вулканизма (Восточно-Тувинское лавовое нагорье). На востоке выявленная изотопно-гелиевая: аномалия смыкается с западным флангом Тункинского мантийного изотопно-гелиевого максимума. Скрытая разгрузка тепломассопотока имеет место в южной части Белин-Бусийнгольского грабена и продолжается далее на юг, на территорию Монголии.

Установлена пространственная обратная корреляция распределение изотопов гелия с возрастом кайнозойского вулканизма. Максимальная величина Я наблюдается в ареалах четвертичного вулканизма. По мере удревнения вулканизма уменьшается величина изотопного отношения гелия до корового.

Высокие и повышенные значения изотопов гелия увязываются с новейшими неотектоническими движениями и отражают магматическую активность в регионе. Полученные результаты свидетельствуют о развитии рифтогенного процесса к западу от юго-западного фланга БРЗ.

Результаты изучения источников Западной Тувы привели к неоднозначным результатам (кроме Джумалинского источника) и требуют дополнительной проверки.

Отношения изотопов гелия во флюидах термальных источников Тувы использованы для оценки в 16 пунктах. Это позволило существенно уточнить распределение теплового потока в Тувинском регионе, где ранее имелось всего 10 определений ^

В результате установлено, что Восточная Тува (от границы с Бурятией до 96° в.д.) характеризуется аномально высоким тепловым потоком. Максимальные значения q (до 84 мВт/м") установлены на северовостоке Тувы в районе наиболее активного проявления четвертичного вулканизма (район ВТЛН). Пониженные значения до 65-68 мВт/м~ отвечают амагматичному Билин-Бусийнгольскому грабену.

Изотопно-гелиевая и' теплопотоковая аномалии на востоке Тувы обусловлены единым процессом тектономагматической активизации, т.е. мантийным источником Южно-Байкальской вулканической области. Результаты проведенных исследований подтверждают предположение о процессе отжимания материала астеносферной линзы на ее фланги, стимулируя тем самым тектономагматическую активность в краевых участках вулканической области и свидетельствуют о продолжении процессов рифтогенеза на территорию Тувы примерно до 96° в.д.

Установлено, что по распределению изотопов гелия в подземных флюидах и теплового потока Восточный и Западный литосферные блоки Тувы резко различны. Восточный блок значительно прогрет, его мощность не превышает 50-70 км, а температура на глубине 50 км может составлять 1100-1200°С. В Западном блоке глубинные температуры в два раза ниже, а мощность литосферы увеличивается до 150-180 км.

Ill

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Рычкова, Клара Монгушевна, Новосибирск-Кызыл

1. Аюнова О.Д, Калуш Ю.А, Логинов В.М. Связь сейсмической активности территории Тувы и прилегающей части Монголии с фрактальной размерностью системы разломов // Геология и геофизика. 2007. Т. 48. №7. С. 769-775.

2. Геология СССР, том XXIV, Тувинская АССР. Часть I, геологическое описание, Москва: Недра. 1966. 255 с.

3. Геологическая карта СССР масштаба 1:200000. Серия Западно-Саянская. Лист M-46-VII. Объяснительная записка. Москва: Недра. 1967.

4. Гидрогеология СССР. Том XVII. Кемеровская область и Алтайский край. Западно-Сибирское геологическое управление. Редакторы М.А. Кузнецова и О.В. Постникова. М: Недра. 1972. 399 с.

5. Голубев В. А. Тепловые и химические характеристики гидротермальных систем Байкальской рифтовой зоны // Советская геология. 1982. №10. 102 с.

6. Голубев В.А. Зубков B.C. Геотермическая модель литосферы Байкальской рифтовой зоны, учитывающая адвективный тепломассоперенос эндогенными флюидами // Докл. АН. 2006. Т. 411. 520 с.

7. Гордиенко В.В. Тарасов В.Н. Современная активизация и изотопия гелия территории Украины. Национальная-Академия наук Украины. Киев: Общество «Знание» Украины. 2001. 101 с.

8. Дучков А.Д. Шварцман Ю.Г. Соколова Л.С. Глубинный тепловой поток Тянь-Шаня: достижения и проблемы // Геология и геофизика. 2001. Т. 42. №10. С 1516-1527.

9. Дучков А.Д., Соколова JI.C. Геотермические исследования в Сибири. Новосибирск: Наука. 1974а. 184 с.

10. Дучков А.Д., Соколова JI.C. Тепловой поток центральных районов Алтае-Саянской области // Геология и геофизика. 19746. №8. С. 114-123.

11. Дучков А.Д., Лысак C.B., Голубев В.А. и др. Тепловой поток и геотемпературное поле Байкальского региона // Геология и геофизика. 1999. Т 40. №3. С 287-303.

12. Еманов A.A. Сейсмические активизации блоковой структуры в условиях сжатия (на примере Алтае-Саянской области) // Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. Новосибирск. 2006. 159 с.

13. Жукова И.А. Дучков А.Д. Оценка теплового потока Тянь-Шаня по отношению изотопов гелия // Материалы XIII молодежной конференции. Апатиты. 2002. Т. 2. С 135-139.

14. Зорин Ю.А., Турутанов Е.Х. Плюмы и геодинамика Байкальской рифтовой зоны // Геология и геофизика. 2005. Т. 46. № 7. С. 685-699.

15. Зятькова Л.К. Структурная геоморфология Алтае-Саянской горной области. Новосибирск: Наука. 1977. 215 с.

16. Ильин В.А. Энергетика современных гидротермальных систем. Москва: Наука. 1983. 76 с.

17. Каталог данных по тепловому потоку Сибири (1966-1984гг). Отв. ред. к.т.н. Дучков А.Д. Новосибирск: Изд. ИГиГ СО РАН СССР. 1985. 82 с.

18. Каменский И.Л., Лобков В.А., Просолов Э.П., Бескровный Н.С., Кудрявцева E.H., Ануфриев Г.С., Павлов В.П. Компоненты верхней мантии Земли в газах Камчатки (по изотопам Не, Ne, С) // Геохимия. 1976. №5. С. 482-695.

19. Кузьмичев А.Б. Тектоническая история Тувино-Монгольского массива: Раннебайкальский, позднебайкальский и раннекаледонский этапы. Москва: Пробел-2000. 2004. С 5-191.

20. Козловцева C.B., Хуторской М.Д. Опыт применения гидрохимических индикаторов для оценки геотермических условий недр Монголии // Москва: Наука. Литология и полезные ископаемые. 1990. №4. С 110-120.

21. Кулаков. И.Ю. Структура верхней мантии под южной Сибирью и Монголией по данным региональной сейсмотомографии // Геология и геофизика. 2008. Т. 49. № 3. С. 248-261.

22. Логачев H.A. История и геодинамика Байкальского рифта // Геология и геофизика. 2003. Т. 44. № 5. С. 391-406.

23. Лысак C.B., Писарский Б.И. Оценка теплового потока по изотопам гелия а газовом составе подземных вод Байкальской рифтовой зоны и окружающих районов // Вулканология и сейсмология. 1999. №3. С. 4553.

24. Лысак C.B., Дорофеева Р.Т. Термальное состояние литосферы в Монголии // Геология и геофизика. 2003. Т 44. № 9. С. 929-941.

25. Мамырин Б.А., Толстихин И.Н. Изотопы гелия в природе М.: Энергоиздат. 1981. 222 с.

26. Минеральные воды южной части Восточной Сибири, под общейредакцией Ткачук В.Г., Толстихина Н.И. Москва: Издательство Академии наук СССР. 1962. T. I. С. 126-133.

27. Пиннекер Е.В. Минеральные воды Тувы. Кызыл: Тувинское книжное издательство. 1968. С 3-105.

28. Поляк Б.Г. Прасолов Э.М., Чермак В. Мантийный гелий в «ювенильных флюидах» и природа геотермической аномалии Рудных гор (ЧССР) // Докл. АН СССР. 1982. Т. 263. № 3. С. 701-705.

29. Поляк Б.Г. Тепломассопоток из мантии в главных структурах земной коры Москва: Наука. 1988. С 161-166.

30. Поляк Б.Г., Прасолов Э.М., Каменский И.Л., Елманова Н.М., Султанходжаев A.A., Чернов И.Г. Изотопный состав гелия неона и аргона в подземных флюидах Тянь-Шаня // Геохимия. 1989. №1. С 7-98.

31. Поляк Б.Г., Прасолов Э.М., Толстихин И.Н., Козловцева C.B., Кононов, Хуторской М.Д. Изотопы гелия во флюидах Байкальской рифтовой зоны /Известия Академии наук. Серия геологическая. 1992. №10. С. 18-34.

32. Поляк Б.Г., Толстихин И.Н., Якуцени В.И. Изотопный состав гелия и тепловой поток геохимический и геофизический аспекты тектогенеза // Геотектоника. 1979. №5. С. 3-23.

33. Поляк Б.Г., Хуторской М.Д., Каменский И.Л., Прасолов Э.М. Тепломассопоток из мантии на территории Монголии // Геохимия. 1994. №12. С. 1693-1705.

34. Поляк Б.Г., Каменский И.Л., Прасолов Э.М., Чешко А.Л., Баранов Л.И., Буачидзе Г.И. Изотопы гелия в газах Северного Кавказа: следы разгрузки тепломассопотока из мантии // Геохимия. 1998. №4. С. 383-397.

35. Поляк Б.Г., Гордиенко В.В., Чешко А.Л., Каменский И.Л., Прасолов Э.М., Тарасов В.Н. Изотопы гелия, тепловой поток и тектоника Восточных Карпат // Доклады АН, 1999. Т 367. №2. С. 244-249.

36. Поляк Б.Г. Изотопы гелия в подземных флюидах Байкальского рифта и его обрамления (к геодинамике континентального рифтогенеза) // Российский журнал наук о Земле. 2000. т 2. №2. С. 1-21.

37. Поляк Б.П. Спрединг и рифтогенез изотопно-гелиевая специфика // Геотектоника. 2004. №6. С. 19-32.

38. Прасолов Э.М. Изотопная геохимия и происхождение природных газов. Ленинград: Недра. 1990. 283 с.

39. Попова K.M. Петрофизические исследования пород для целей картирования и составления петрофизических карт Тувы масштаба 1: 500000 // Отчет тематической партии за 1985-1987 гг. Кызыл. 1987 г.

40. Пузанков Ю.А., Дучков А.Д., Мельгунов C.B. и др. Радиоактивные элементы и генерация радиогенного тепла в структурно-вещественных комплексах Алтае-Саянской области (в связи с проблемами тектоники / Новосибирск: Изд. ИГиГ СО РАН СССР. 1989. 158 с.

41. Рудные формации Тувы. Новосибирск: Наука. 1981.

42. Рычкова K.M., Дучков А.Д., Лебедев В.И., Каменский И.Л. Изотопы гелия в подземных источниках Восточной Тувы //Докл. Академии Наук. 2007. Т. 417. № 36. С. 814-817.

43. Справочник по геохимии нефти и газа. Санкт-Питербург: ОАО Изд-во Недра. С-Пб филиал. 1998. С. 25-26.

44. Соколова Л.С., Дучков А.Д. Новые данные по тепловому потоку ряда районов Алтае-Саянской области // Геология и геофизика. 2008. Т. 49. №12. С 1248-1261.

45. Соколова Л.С., Дучков А.Д. «Гелиевые» оценки теплового потока Тянь- Шаня и Восточной Тувы. //Глубинное строение, геодинамика,мониторинг, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей. Екатеринбург: ИГф УрО РАН. 2005. С 159-165.

46. Сугоракова A.M., Ярмолюк В.В., Лебедев В.И. Кайнозойский вулканизм Тувы. Кызыл: ТувИКОПР СО РАН. 2003. С. 6-90.

47. Сугоракова A.M. Геология позднекайнозойских вулканических образований Восточной Тувы // Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. Томск. 2001. 143 с.

48. Тарасов В.Н. Отражение зон молодой активизации на территории Украины в геофизических полях и изотопии гелия // Автореферат на соискание ученой степени кандидата геологических наук. Национальная Академия наук Украины. Киев. 1999.

49. Толстихин И.Н. Изотопы гелия в природе // Геология и полезные ископаемые Кольского полуострова. Т. 3. Апатиты: Изд-во МУП «Полиграф». 2002. С. 28-50.

50. Тепловое поле недр Сибири // Э.Э. Фотиади (ред.) / Новосибирск: Наука, 1987. 185 с.

51. Тулиани Л.И. Сейсмичность и сейсмическая опасность: на основе термодинамических и реологических параметров тектоносферы. Москва: Научный Мир.Л 999.

52. Хуторской М.Д., Голубев В.А., Козловцева C.B., Митник М.М., Ярмолюк В.А. Тепловой режим недр МНР М.: Наука. 1991. 127 с.

53. Хуторской М.Д. Геотермия Центрально-Азиатского складчатого пояса. Москва. Издательство РУДН. 1996. 289 с.

54. Хуторской М.Д., Поляк Б.Г., Кононов В.И. Современные проблемы геотермии // Современные проблемы геологии, Москва. Наука. 2004. С 142-185.

55. Яковлев А.В., Кулаков И.Ю., Тычков С.А. Глубина Мохо и трехмерная структура сейсмических аномалий земной коры и верхней мантии в байкальском регионе по данным локальной томографии // Геология и геофизика. 2007. Т. 48 (2). С. 261-282.

56. Ярмолюк В.В., Коваленко В.В., Иванов В.И. Внутриплитная позднемезозойская кайнозойская вулканическая провинция Центрально-Восточной Азии - проекция горячего поля мантии // Геотектоника. 1995. №5. с 41-67.

57. Якуцени В.П. Дегазация Земли и геотектоника // Динамика современной дегазации Земли по данным изотопно-гелиевого критерия. Москва: Наука. 1980. 51 с.

58. Ярмолюк В.В., Лебедев В.И., Сугоракова A.M. и др. Восточно-Тувинский ареал новейшего вулканизма Центральной Азии: этапы, продукты и характер вулканической активности //Вулканология и сейсмология. 2001. №3. С. 3-32.

59. Hoke L., Lamb S., Hilton D.R., Poreda R.J. Southern limit of mantle-derived geothermal helium emissions in Tibet: implications for lithospheric structure // Earth and planetary sci. letters. 180 (2000). P. 297-308.

60. Swanberg C.A. and P. Morgan. The silica heat flow interpretation technique: Assumptions and application // Journal of geophysical research, vol. 85. No. B12. 1980. P. 7206-7214;

61. Vugrinovich R. Regional heat flow variations in the northern Michigan and Lake Superior region determined using the silica heat flow/estimator // Journal of volcanology

62. Sano Y., Tomingga N/, Nakamura Y., Wakita H. 3He/4He ratios of methane-rich natural gases in Japan //Geochem. J. 1982. Vo. 16. H.237-245.