Первые данные магнитотеллурического зондирования о строении верхней части земной коры в районе дельты реки Лены

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В тектоническом аспекте крупнейшая в России арктическая дельта р. Лены площадью около 30 000 км² расположена в области сочленения Сибирского кратона и Верхоянского складчато-надвигового пояса (рис. 1 а), в зоне перехода от Евразийского континента к шельфу моря Лаптевых [1]. При этом прилегающий шельф моря Лаптевых осложнен ориентированными на северо-восток структурами позднемел-кайнозойской Лаптевоморской рифтовой системы [2, 5, 6]. Одним из ключевых направлений изучения кайнозойской геодинамики этого стратегически важного для России региона является анализ структуры литосферы с выявлением зон активных межблоковых границ, их кинематики, связанной с ними сейсмичности.

 

Рис. 1. а – основные тектонические структуры зоны перехода от Евразийского континента к шельфу моря Лаптевых (сделан с использованием данных из [2]). б – активные разломы и сейсмичность района дельты р. Лены и прилегающих территорий. В качестве подложки использован космический снимок из программы Google Earth Pro. Белые линии – разломы в основании дельты р. Лены по [3]. Положение эпицентров землетрясений приведено по [4].

 

Район моря Лаптевых является северной оконечностью зоны сейсмичности, которая начинается в Охотском море, протягивается вдоль хребта Черского и отмечает границу между Евразийской и Североамериканской литосферными плитами [7]. В районе дельты р. Лены пояс разветвляется на западную и восточную ветви. Западная ветвь концентрации эпицентров землетрясений прослеживается от залива Буор-Хая, через дельту р. Лены, Оленекский и Анабарский заливы моря Лаптевых к полуострову Таймыр (рис. 1 а). За последние 100 лет в ее пределах было зарегистрировано около 400 землетрясений с магнитудами до 5.5 и гипоцентрами на глубинах до 20 км [8]. Согласно данным геологического картирования и фокальным механизмам очагов землетрясений, отдельные сегменты этих разломов интерпретируются как сбросы или взбросы с присутствием левосдвиговой компоненты [3, 4, 8, 9]. В районе дельты р. Лены (рис. 1 б) землетрясения связаны с субпараллельными зонами Оленекского, Булкурского, Терпейского, Арынского, Сардахского и Быковского разломов северо-западного простирания [3, 4].

Современные представления о глубинном строении земной коры в районе дельты р. Лены основываются в основном на информации, полученной в рамках экспедиций ПМГРЭ ПГО “Севморгеология” 1964–1988 гг. Они включают карты гравитационного и магнитного полей, ряд сейсмических профилей [6, 8–10]. Недавно были выполнены сейсмотомографические построения по данным локального сейсмологического мониторинга [12]. Основные сложности при проведении глубинных геофизических исследований обусловлены: 1) наличием чехла четвертичных отложений мощностью до 100 м [3]; 2) наличием толщи многолетнемерзлых пород мощностью более 500 м [13]. Изучение последней само по себе является важной задачей для анализа эволюции криолитозоны и связанных с ней явлений и процессов в условиях изменяющегося климата.

Ранее метод магнитотеллурического зондирования (МТЗ) и его модификации не применялись для изучения дельты р. Лены и примыкающей к ней территории. Однако опыт других исследователей [14–18] показывает, что он может успешно применяться в высоких широтах для решения различных геологических задач. Цели представляемой работы – впервые с использованием метода магнитотеллурического зондирования получить новые данные о строении верхней части земной коры, активных разломах и мощности криолитозоны в районе дельты р. Лены.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводились в течение летних полевых сезонов 2019–2020 гг. Измерения выполнялись крестообразной установкой с длиной электрических линий 100 м, с использованием трех измерительных модулей MTU-5 (Phoenix Geophysics, Канада), позволяющих регистрировать четыре компоненты (Ex, Ey, Hx, Hy) магнитотеллурического поля (МТ-поля) в диапазоне периодов 0.003–10000 с. Всего выполнено 16 зондирований по профилю СВ-простирания (рис. 1). Шаг между пунктами зондирования составил от 2 до 3 км. Средняя длительность записи – 21 час.

Полевые данные обработаны с использованием программного пакета SSMT2000 (Phoenix Geophysics, Канада). Качественная и количественная интерпретация данных выполнена с применением программного комплекса “WinGLink” (“Schlumberger”, США).

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На протяжении всего профиля верхняя часть геоэлектрического разреза характеризуется высокими значениями удельного электрического сопротивления (УЭС) – 320–1000 Ом⋅м (рис. 2 а). Мощность слоя колеблется от 400 до 1000 м в юго-западной и центральной частях профиля. Понижение значений УЭС до 320 Ом⋅м и уменьшение мощности до 400 м верхнего слоя характерны для северо-восточной части профиля.

 

Рис. 2. Полученный геоэлектрический разрез (а) и его геологическая интерпретация (б).

 

Глубже, в юго-западной части геоэлектрического разреза (пункт зондирования 4), присутствует субвертикальная зона пониженных значений УЭС – 20–40 Ом⋅м (рис. 2 а). Она сливается с зоной аналогичных сопротивлений, поднимающейся на юго-запад, от пункта зондирования 4 к пункту 1, с глубины от 8 до 2 км. Выше и ниже этой зоны находятся участки геоэлектрического разреза с УЭС 150–250 и 60–100 Ом⋅м соответственно. В последнем случае относительно невысокие значения сопротивлений частично связаны с влиянием соседней аномалии пониженных сопротивлений.

Еще одна субвертикальная крупная аномальная зона пониженных значений УЭС в диапазоне от 20 до 50 Ом⋅м на геоэлектрическом разрезе присутствует в районе 13 пункта зондирования (рис. 2 а). На юго-восток, к пункту зондирования 9, до глубины 2 км, от нее поднимается зона, в которой УЭС постепенно увеличиваются снизу вверх, от 70 до 100 Ом⋅м. Выше этой зоны измеренные значения УЭС на геоэлектрическом разрезе варьируют от 110 до 240 Ом⋅м. Значения УЭС от 120 до 150 Ом⋅м характерны для участков разреза, расположенных ниже наклонной зоны, а также к юго-западу от нее. Кроме этого, от вертикальной зоны с пониженными значениями УЭС в пункте зондирования 13 наклонная зона с УЭС 40 Ом⋅м поднимается и на северо-восток, к пункту зондирования 14, до глубины 6–4 км.

В северо-восточной части геоэлектрического разреза, восточнее пункта зондирования 13, в распределении значений УЭС отчетливо выделяется два различных интервала (рис. 2 а). Верхний из них характеризуется значениями УЭС от 120 до 240 Ом⋅м, нижний – значениями 320–350 Ом⋅м. Лишь в самом верхнем северо-восточном углу геоэлектрического разреза вновь появляется зона с явно пониженными значениями УЭС – от 10 до 60 Ом⋅м, прослеживающаяся до глубины 2 км.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

УЭС верхнего высокоомного слоя геоэлектрического разреза, резко контрастирующие с нижележащими частями разреза (рис. 2 а), и географическое расположение района работ позволяют с уверенностью соотнести этой слой с толщей многолетнемерзлых пород (рис. 2 б). Максимальная мощность толщи в 1000 м, определенная с использованием метода МТЗ, в два раза превосходит ранее установленные значения в 500 м [13]. Сокращение мощности многолетнемерзлых пород и значений УЭС в северо-восточной части профиля говорит о возможном присутствии зон частичного или сплошного протаивания (таликов) под основным руслом Лены и ее протоками.

Выполненный профиль МТЗ (рис. 1, 3) находится в пределах Бахстахско-Хараулахской зоны Верхоянского складчато-надвигового пояса, расположенной в районе дельты р. Лены, между ее Булкурской и Быковской протоками [3]. Разломные ограничения зоны на исследуемом участке представлены Булкурским надвигом на юго-западе и Сардахским левым сдвигом на северо-востоке (рис. 3). В свою очередь, Бахстахско-Хараулахская зона разделена на два крупных блока Кысамским надвигом северо-западного простирания. Он выражен серией надвиговых пластин с амплитудой горизонтальных смещений от первых сотен метров до 1.5–2 км.

К юго-западу от Кысамского надвига расположена серия антиклиналей и синклиналей, сложенных преимущественно каменноугольно-нижнетриасовыми терригенными отложениями. Складчатые деформации осложнены надвигами. По Булкурскому разлому чешуи, сложенные каменноугольно-пермскими породами, надвинуты на терригенные меловые отложения (рис. 3), которые накапливались в позднеюрско-меловом Лено-Анабарском форландовом бассейне (прогибе, рис. 1 а) на краю Сибирского кратона [2]. В настоящее время мезозойские отложения обнажаются в пределах неотектонического поднятия кряжа Чекановского [3]. На нео- тектоническом этапе развития региона для зоны Булкурского разлома характерна также левосдвиговая компонента смещения [19]. Возможно, в результате сдвиговых движений вдоль разлома сформировался грабен (пул-апарт бассейн), выполненный эоцен-олигоценовыми терригенно-угленосными отложениями мощностью до 500 м [3]. К северо-востоку от Кысамского надвига расположена серия смещенных с амплитудами в 3–5 км на юго-запад надвиговых пластин, сложенных преимущественно девонско-нижнепермскими терригенными, терригенно-карбонатными, карбонатными и вулканогенными отложениями. Вместе с ними в складчато-надвиговые деформации в Бахстахско-Хараулахской зоне вовлечены залегающие ниже карбонатно-терригенно-вулканогенные отложения мезопротерозоя-кембрия [3, 9].

 

Рис. 3. Геологическое строение южной части дельты р. Лены (по [3, 9] с упрощениями и изменениями авторов).

 

На полученном геоэлектрическом разрезе отчетливо выделяются три зоны пониженных значений УЭС. Они пространственно совпадают с зонами выделенных при геологическом картировании разломов (рис. 2, 3). Глубинные флюидонасыщенные разломы образуют проводящие каналы, которые пересекают высокоомную литосферу и обеспечивают перераспределение избыточных токов. Поэтому такие разломы фиксируются в МТ-поле в виде проводящих геоэлектрических неоднородностей [20].

Наиболее крупная низкоомная аномалия сопротивлений расположена в юго-западной части геоэлектрического разреза (пункты зондирований 1–5 на рис. 2 а). Значительная площадь аномалии и сложная конфигурация определяются близким расположением нескольких субпараллельных разломов северо-западного простирания (рис. 2 б, рис. 3). Такая система разломов создает проводящие аномалии сложной формы и понижает измеренные значения сопротивлений на близко расположенных пунктах зондирования. Несмотря на это, помимо субвертикальной части аномалии, соответствующей зонам динамического влияния разломов между пунктами зондирований 2 и 5, отчетливо выделяется наклонная зона, которая может быть сопоставлена с Булкурским сдвиго-надвигом. Современная флюидная насыщенность зон динамического влияния разломов, создающих крупную низкоомную аномалию, а также их пространственное положение в зоне наибольшей концентрации очагов землетрясений на северо-восточной окраине Сибирского кратона [4, 8], свидетельствует в пользу отнесения этих разломов к категории активных.

Следующая крупная низкоомная аномалия расположена в районе 12 и 13 пунктов зондирований (рис. 2 а). Она пространственно совпадает со взбросом северо-западной ориентировки, выделенном при геологической съемке между пунктами наблюдений (рис. 2 б, 3). От нее на юго-запад, к пункту 9 зондирования, воздымается зона относительно пониженных значений УЭС – 110–70 Ом⋅м. Ее можно сопоставить с Кысамским надвигом. Относительно высокие значения УЭС в сравнении с основной частью аномалии могут свидетельствовать в пользу того, что зона динамического влияния Кысамского надвига в настоящее время значительно “залечена” и не содержит значительного количества флюида, а сам разлом относится к категории потенциально активных.

Наконец, еще одна низкоомная аномалия в верхней части геоэлектрического разреза выделена в районе пункта зондирования 16 (рис. 2 а). Сопоставление с материалами геологической съемки показывает, что она соответствует зоне динамического влияния Сардахского разлома (рис. 2 б, 3).

Здесь же, на глубине 4 км, выделяется кровля геоэлектрического слоя, обладающего повышенными значениями УЭС – 320–350 Ом⋅м. Такие значения УЭС и значительные глубины его залегания позволяют соотнести его с “кристаллическим” фундаментом, который может быть представлен нижнепротерозойскими зеленокаменно-измененными породами [3] либо архейскими гнейсами [9]. Стоит отметить, что характерные значения УЭС для пород “кристаллического” фундамента обычно значительно превышают значения в 350 Ом⋅м. В нашем случае понижение значений УЭС может быть обусловлено повышенной трещиноватостью пород. На остальной части профиля МТЗ (0–30 км от начала) кровля “кристаллического” фундамента залегает на глубине более 8 км.

Деформированные мезопротерозойско-нижнетриасовые породы различного состава оказались слабо дифференцированными по значениям УЭС. Для них характерны значения УЭС от 110 до 240 Ом⋅м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые выполненные в южной части дельты р. Лены магнитотеллурические зондирования при сопоставлении с данными по региональной геологии и сейсмотектоники региона позволяют сделать следующие выводы.

1. Зондирования МТЗ позволили охарактеризовать структуру земной коры в области сочленения Сибирского кратона и Верхоянского складчато-надвигового пояса до глубины 8 км.
2. В пределах геоэлектрического разреза по пониженным значениям УЭС 10–60 Ом⋅м определяются зоны активных разломов с флюидонасыщенными зонами динамического влияния.
3. Для деформированных мезопротерозойско-нижнетриасовых пород различного состава характерен диапазон УЭС от 110 до 240 Ом⋅м. Участок геоэлектрического разреза со значениями УЭС 320–350 Ом⋅м, очевидно, соответствует “кристаллическому”, сложенному нижнепротерозойскими или архейскими метаморфическими породами. Пониженные значения УЭС объясняются трещиноватостью пород.
4. Максимальная мощность толщи многолетнемерзлых пород в 1000 м оказалась вдвое выше ранее полученных значений. Для нее характерен интервал УЭС от 320 до 1000 Ом·м. В районах крупных проток наблюдается уменьшение мощности высокоомного слоя, соответствующего многолетнемерзлым породам, до 400–500 м и определяются наиболее низкие значения УЭС. Это указывает на наличие подрусловых таликов под руслами проток р. Лены.

Важнейшим направлением последующих исследований является выявление структурной взаимосвязи установленных активных разломов с разломами, ограничивающими рифтовые структуры Лаптевоморской системы.

Источники финансирования

Полевые исследования выполнены в рамках государственного задания ИНГГ СО РАН (FWZZ-2022-0024), обработка и интерпретация результатов при финансовой поддержке проекта Российского Научного Фонда 23-17-00237.

Об авторах

А. А. Заплавнова

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука Сибирского отделения Российской Академии наук; Новосибирский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: dannaukiozemle@yandex.ru
Россия, Новосибирск; Новосибирск

Е. В. Деев

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука Сибирского отделения Российской Академии наук; Новосибирский государственный университет

Email: dannaukiozemle@yandex.ru
Россия, Новосибирск; Новосибирск

В. В. Потапов

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука Сибирского отделения Российской Академии наук; Новосибирский государственный университет

Email: dannaukiozemle@yandex.ru
Россия, Новосибирск; Новосибирск

Список литературы

Дополнительные файлы