0700620_0CA3B_tyapkin_k_f_fizika_zemli

Усі наведені вище дані про електричні властивості гірських порід стосуються лише верхньої частини земної кори. Прямих способів визначення властивостей порід, що складають нижню її частину і верхню частину мантії, немає. Одним із джерел відомостей про електричні властивості порід на великих глибинах може бути їхнє прогнозування способом вивчення зразків гірських порід за температур і тисків, що відповідають значенням цих параметрів у глибинних частинах Землі. Проте, як уже підкреслювалось, не варто сподіватися, що такого роду дані відповідатимуть реальним. У кращому разі можна отримати уявлення про тенденції зміни електричних властивостей гірських порід залежно від тиску і температури.

Вертикальний електричний розріз. Дані про вертикальний електричний розріз земної кори і верхньої мантії отримують за результатами інтерпретації кривих уявного питомого електричного опору магнітотелуричного (МТЗ) і магнітоваріаційного (МВЗ) зондувань. В основу методу МТЗ покладено модель Тихонова— Каньєра: плоска електромагнітна хвиля падає вертикально на плоску Землю, електропровідність якої залежить лише від глибини і- У процесі вимірювань отримують значення спектрального імпедансу 7. із виразів

де Е^ Еу — електричні компоненти електромагнітного поля; Ня Ну — магнітні компоненти електромагнітного поля.

На практиці звичайно користуються ефективними значеннями імпедансу ^ф, що обчислюються як одне із середніх значень 2-цу І Ту,?

Оскільки величина імпедансу є функцією закону зміни питомого електричного опору з глибиною і і частоти наявного електромагнітного поля со, то вертикальний електричний розріз у принципі можна відновити за параметричною залежністю 2 від со, причому можна використати як амплітудні, так і фазові значення імпедансу. Звичайно це переважно виконують за кривими уявного питомого електричного опору рт, що обчислюється за формулою

\А2

Р Г = - Щ (8) юц0

де Цо — магнітна проникність середовища.

89

Таке трансформування полегшує інтерпретацію результатів МТЗ, оскільки завдяки скінефекту криві рт дають якісне уявлення про характер зміни електричного розрізу з глибиною.

Нижче наведено результати вивчення вертикального електричного розрізу консолідованої земної кори і верхньої мантії за допомогою частотних зондувань. Найпридатнішими для таких цілей є території щитів і кристалічних масивів, де потужність осадового чохла незначна й електропровідність його мінімальна. Дані про вертикальний електричний розріз отримані в межах традиційних горизонтально-шаруватих моделей.

Нині є дві альтернативні моделі земної кори і верхньої мантії, що відповідають тришаровому геоелектричному розрізу типу К з проміжним поганопровідним шаром потужністю в сотні кілометрів (рис. 29, а).

Найпоширенішою є узагальнена модель геоелектричного розрізу, запропонована Л.Л. Баньяном [33], який поділив глибинні розрізи на два типи: нормальний (платформений) та аномальний (геосинклінальний). В обох випадках геоелектричний розріз консолідованої земної кори (без осадового чохла) апроксимується сімома шарами із «ступінчастою» зміною питомого електричного опору. Питомий електричний опір верхніх 10 км розрізу перебуває в межах (1 ... 4)104 Ом-м. У платформених ділянках у цій частині розрізу простежується деяке збільшення питомого електричного опору з глибиною, мабуть пов'язане з природним зменшенням пористості і, відповідно, обводненості порід. У шарах, що залягають нижче, простежується зменшення питомого електричного опору з глибиною, що зумовлено зростанням температури і тиску. Особливостями геоелектричного розрізу геосинклінальних ділянок є знижені значення уявних питомих електричних опорів і наявність на кривих рг одного або двох мінімумів. Інтерпретація такого роду кривих у межах горизонтально-шаруватих моделей дає змогу зробити висновок про наявність одного або двох контрастних провідних шарів, питомий електричний опір яких становить декілька десятків ом-метрів. Верхній провідний шар фіксується в корі на глибинах 10—30 км, а нижній — у верхній мантії на глибинах 70—140 км й ототожнюється з електричною астеносферою.

Особливістю альтернативної моделі «нормального» електричного розрізу, введеної О.С. Семеновим і О.О. Жамалетдиновим [67], є наявність у кристалічному фундаменті верхнього провідного шару, складеного графітизованими або сульфідизованими породами. Цьому шару, що дістав назву 8С-шару (сульфідно-

90

р,Ом-м

Рис. 29. Схематичні криві зміни р з глибиною:

а — для блоків з нормальним електричним розрізом 1(1 ~ криві і межі зміни ру поодиноких зондувань) та за наявності в розрізі ЗС-шару 2 (2 — ділянка значень , отриманих за результатами сферич ного аналізу магнітних варіацій); б — узагальнена крива рт МТЗ для Свдно Європейської платформи (Л; в — узагальнена крива МТЗ—МВЗ (4); г — нормальнийгеоелектричнийрозріз (5), що відповідає узагальненій кривій (4); 5а, Яг — розрахункові криві питомого опору за даними Бенкса (5а), Беннета і Ліллі (ЛЬ)

91

вуглецевистого), приписується планетарний масштаб поширення, а нижня його межа розглядається як геологічний репер у земній корі.

На рис. 29, а, запозиченому з [67], схематично зображено криві зміни питомого електричного опору з глибиною для двох описаних вище моделей. З погляду автора цієї праці впровадження альтернативної моделі з наявністю 5С-шару навряд чи виправдано, оскільки ділянки розвитку сульфідно-вуглецевистих порід, як уже зазначалось, мають порівняно обмежене поширення і віднесені, як правило, до вузьких структур, що формуються на межах блоків вздовж розломів. Мабуть структури, складені цими породами, доцільніше розглядати як більш провідні лінійні включення, такі самі, наприклад, як і розломи.

Значні спотворення кривих рг, зумовлені впливом поверхневих неоднорідностей, зумовили необхідність отримання мінімально спотворених узагальнених моделей регіонів, що вивчаються. Така модель була створена для Східноєвропейської платформи М.П. Владимировим і В.М. Дмитрієвим [41] на основі декількох ретельно відібраних кривих рг МТЗ, виконаних у різних частинах платформи. У цьому разі вони виходили з такого положення. За великих періодів (понад 2 000 с) варіацій, що вивчаються, глибина досліджень характеризується величиною порядку 300 км. Отже, отримані за допомогою магнітотелургійних досліджень значення уявного питомого електричного опору рг виявляються осередненими для великих ділянок Землі. Якщо прийняти електричні властивості земної кори однаковими (~104 Ом-м), то криву рг, побудовану за кінцевими гілками окремих зондувань (див. рис. 29, 6), можна розглядати як МТЗ, що характеризує геоелектричний розріз земної кори і верхньої мантії в межах Східно-Європейської платформи. Отримана крива несе досить важливу інформацію. Зокрема, кут її нахилу порядку 50° у діапазоні періодів варіацій 1 ... 104 с свідчить про кінцеве значення питомого електричного опору субстрату верхньої мантії.

У 1980 р. Л.Л. Ваньян, Н.М. Бердичевський та ін. [138] ввели поняття про н о р м а л ь н и й геоелектричний розріз земної кори і верхньої мантії. Як нормальний вибрано розріз, що відповідає платформеним умовам з тепловим потоком порядку 40 Вт/м2. Крива рг для такого розрізу отримана суміщенням узагальненої кривої рг М.П. Владимирова та В.М. Дмитрієва, доповненої результатами МТЗ в інших районах Східно-Європейської платформи, і глобальної кривої МВЗ, отриманої за результатами сферич-

92

ного аналізу даних світової мережі обсерваторій. Вони виявились цілком сумісними і вдало доповнюють одна одну. На рис. 29, в наведено узагальнену криву рг нормального розрізу і виділено інтервал, отриманий за даними МВЗ.

Так побудована крива рг у подвійному логарифмічному масштабі практично прямолінійна. Вона відповідає деякій смузі значень уявного питомого електричного опору в діапазоні від 104

Ом м, ЯКЩО 4т = 1 с^1 до кількох ом-метрів, якщо л/Т = 103 с ^ .

Саме цю залежність автори пропонують вважати н о р м а л ь н о ю кривою уявного питомого електричного опору. Кут нахилу смуги значень уявного питомого електричного опору виявляється таким самим, як і кут нахилу узагальненої кривої рт М.П. Владимирова і В.М. Дмитрієва — ~50°. Такий кут нахилу, як уже зазначалось, свідчить про плавне зменшення питомого електричного опору з глибиною, що не дає змоги користуватися стандартними прийомами інтерпретації.

Скориставшись відомими трансформаціями Нібле, Е.Ф. Файнберг і М.В. Фіскіна [138] перетворили нормальну криву рг на нормальний геоелектричний розріз (див. рис. 29, в). Останній характеризує інтервал глибин від ЗО до 300 км. Питомий електричний опір у цьому інтервалі плавно зменшується від 3-Ю4 Ом м поблизу підошви кори до ~300 Ом м на глибині 300 км. У подвійному логарифмічному масштабі нормальний геоелектричний розріз верхньої мантії близький до прямолінійного, так само, як і графік рг. Важливо підкреслити, що значення питомого електричного опору у верхній частині розрізу, а також плавне зменшення питомого електричного опору з глибиною узгоджується з результатами частотних зондувань, виконаних на Українському і Балтійському щитах [242].

Незважаючи на те, що для побудови нормального геоелектричного розрізу використано МТЗ, виконані лише на Східноєвропейській платформі, його можна вважати характерним і для інших докембрійських платформ з близьким тепловим режимом [170]. Про це також свідчать дані про глобальні електричні розрізи інших регіонів, наведені на рис. 29, г [246, 249]. Можна припустити, що ступінчаста зміна питомого електричного опору є не більш ніж результатом апроксимації реального плавного зменшення його з глибиною. І, нарешті, плавне зменшення питомого електричного опору є логічним наслідком плавного зростання з глибиною температури — основного фактора, що впливає на електропровідність.

93

Описаний вище нормальний розріз приймається як фон для виділення корових і астеносферного провідників. Це здійснюється порівнюванням кривої рг, яка спостерігається, з нормальною. На жаль, реалізація цієї, здавалося б, простої процедури наштовхується на проблему врахування впливу різного роду неоднорідностей. У цьому разі звичайно реалізується такий підхід. Аналізують спотворення на спостережуваних кривих р7 за площею з метою пошуку такої їхньої серії, в межах якої найстійкіше зберігається форма кривих. Вважають, що на цих кривих виявляються горизонтальні провідні шари, які використовують для кількісної інтерпретації.

Якщо інтерпретувати відхилення реальних кривих МТЗ від нормальних за допомогою класичних моделей, то мінімуму на кривих рг доводиться ставити у відповідність наявність провідних шарів у корі і мантії. Виникає проблема пояснення фізи- ко-геологічної природи цих провідників. Природу провідного шару в мантії більшість дослідників пов'язує з частковим плавленням порід (астеносферою).

Уявлення про природу корового провідника досить суперечливі і багато в чому дискусійні. Так, В.В. Гордієнко та І.М. Логвинов [51] корові провідники пов'язують з електронопровідними породами або виділенням води під час десерпентизації порід внаслідок сучасного зростання тиску в глибині кори. Н.М. Бердичевський і Л.Л. Ваньян [13] називають три основні джерела підвищеної електропровідності земної кори: 1) площадковий коровий провідник на глибинах 10—30 км, здогадно з флюїдною природою електропровідності; 2) електронопровідні структури у верхній частині кристалічного фундаменту; 3) глибинні розломи, шпаруватий простір в яких насичений мінералізованими розчинами. І.С. Фельдман [212] вважає, що розподіл електропровідності земної кори значною мірою залежить від її розло- мно-блокової будови. Причому визначальну роль відіграють вузли перетину розломів і структур, складених електронопровідними породами, що зазнали тих чи інших перетворень у процесі еволюції Землі.

Багато дослідників, які вивчали корові провідники на території Євразії [88], прямо чи опосередковано пов'язують їх із р о з - л о м а м и . Так, А. Адам підкреслює, що добре провідні аномалії в межах Панонського басейну віднесеш до розломів. Г. Леглер і Г. Порстендорфер стверджують, що на території Варисцийського фундаменту Східної Німеччини у поведінці ізоліній відбиваються широкі зони розломів. О. Праус, Я. Печева та ін. встановили, що

94

аномалія провідності в межах Чехословацького і ПольськоЧехословацького секторів Карпат віднесена до зони перетину систем глибинних розломів північно-західного і північно-східного напрямків. О.О. Ковтун, С.О. Вагін та ін. зазначають, що в півні- чно-західній частині Східно-Європейської платформи здебільшого простягання провідних зон збігається з напрямком глибинних розломів. А.Г. Краснобаєва встановила зону провідності в межах Головного Уральського глибинного розлому. В.М. Фадєєв і В.М. Поспєєв стверджують, що частина виявлених за МТЗ провідних зон у Бодайбінському районі віднесені до мінералізованих зон розломів. В.І. Векслер і Ю.С. Спасенних на основі аналізу варіацій природного геомагнітного поля дійшли висновку про приуроченість аномалій провідності до відомих глибинних розломів на Алтаї, у Ферганській долині, на Уралі і північному сході колишнього СРСР. Наведені дані безсумнівно свідчать про істотну роль розломів у формуванні геоелектричної моделі земної кори і верхньої мантії. Розглянемо цю роль детальніше на матеріалах вивчення Українського щита.

Роль розломних структур. Розпочнемо з аналізу даних ВЕЗ. На рис. ЗО наведено результати електророзвідувальних робіт за одним із профілів, що перетинають розлом земної кори. Положення розлому встановлюється за сукупністю геолого-геофізичних даних і, зокрема, за наявністю гравітаційного уступу, зображеного на рис. ЗО, а. Відповідна йому зона провідності в фундаменті чітко фіксується на вертикальному розрізі р*. Привертає увагу таке. Положення субвертикальної зони провідності не корелюється з наведеним на рис. ЗО, а геологічним розрізом. Винятком є пачка гнейсів, яка відбивається у лівій верхній частині зони провідності на вертикальному розрізі р* локальним мінімумом. Отже, зону провідності не можна пояснити петрографічним складом порід фундаменту. Залишається єдиний варіант пояснення підвищеної провідності зони — збільшена шпаруватість зони розлому і насиченість її провідними флюїдами.

Розглянемо поведінку кривих рк ВЕЗ (див. рис. ЗО, б) на відстані від розлому та в його межах 2' і 2". Привертає увагу велике спотворення кривих рх ВЕЗ з рознесенням живильних ліній вздовж простягання розлому 2" порівняно з кривими р* ВЕЗ, орієнтованими перпендикулярно до розлому 2'. Криві рк, віддалені від розлому, відповідають чотиришаровому геоелектричному розрізу типу рі > рг < рз < р4 -> оо, а криві рк у межах розлому 2" набувають вигляду, що відповідає чотиришаровому розрізу типу рі > Рг < < рз > р4. У цьому разі значення рк у правій гілці кривої зменшукль-

95

96

ломи 1- і 2-го порядків. Дня зручності викладу розломи пронумеровано.

Проаналізувавши поле значень р7 на карті і зіставивши його з просторовим розміщенням розломів, можна зробити важливі ви-

сновки

1 V межах щита спостерігаються значення рт (для одного й юіо самою періоду варіацій 150 с), що змінюються від декількох десятків до декількох десятків тисяч ом-метрів, тобто на три порядки. У разі малої потужності осадового чохла (И1 < 100 м) і значеннях 5і, = Л/рь Щ° н е перевищують 10 См, такі зміни рт свідчать про досить неоднорідну в електричному відношенні будову фундаменту. Диференціація електричних властивостей порід фунламенту по латералі перевищує такі зміни по вертикалі.

2. Однією із закономірностей розподілу значень рт на щиті є їхній різний середній рівень у різних районах. Так, район Середнього Придніпров'я характеризується значенням рт порядку 20 кОм-м, райони Західного Приазов'я — значеннями рт, що не перевищують 1 кОм м, а в північно-західній частині іцига значення рт змінюються від декількох десятих часток до декількох кілоом-метрів, причому межами таких районів є відомі розломи земної кори. Найконтрастніше в полі рт виявляється розлом 2.22 (Криворізько-Кременчуцький). Він відокремлює високоомний район Середнього Придніпров'я від достатньо низькоомного, що межує з ним із заходу, Центрального. Цей район, у свою чергу, відокремлюється від північнозахідного досить чітко розломом 4.14, хоча у формуванні складнішої межі беруть участь розломи й інших систем. Низькоомний район Західного Приазов'я відокремлюється від високоомних районів на заході південною частиною відомого розлому 2.28 (Оріхово-Павлоградського), а на сході — перетином розломів 5.19 і 5.26. Згадані вище райони, які відрізняються один від одного електричними характеристиками, виявляються складеними різними комплексами порід. На жаль, спеціальні дослідження, присвячені вивченню взаємозв'язку електричних характеристик зі структурно-речовинним складом порід у природному заляганні, досі ще не проводились. Проте наведені вище дані свідчать про ефективність застосування результатів МТЗ, а точніше магнітотелуричного профілювання, для дрібномасштабного районування.

3. У межах кожного з перелічених вище районів Українського щита простежується певне чергування позитивних і негативних

30°

Рис. 31. Схема ізоліній р г МТЗ території Українського щита за О.І. Інгеровим, В.Н. Гонгарен

1 — осьові лінії розломів земної кори; 2 — ізолінії рт, Ом • м; 3 —

98