Сейсмическая структура земной коры и проявления кимберлитового магматизма в Западной Якутии

Объект исследования — земная кора Якутской алмазоносной провинции, на предмет обнаружения структурно-вещественных неоднородностей, как одних из критериев, определяющих закономерности размещения кимберлитовых полей.

Актуальность исследования.

Обнаружение глубинных структур, сопутствующих проявлениям кимберлитового магматизма, остается в значительной степени дискуссионным. Существует ряд геолого-геофизических моделей литосферы Якутской кимберлитовой провинции, описывающих связь особенностей структуры коры с кимберлитовым магматизмом. Вместе с тем их использование для прогноза закономерностей размещения кимберлитовых полей не имело успеха. Применение глубинных геофизических методов для этих целей также пока нельзя считать успешным.

Малые размеры кимберлитовых полей (30−50 км в поперечнике), часто располагающихся в районах развития траппов, существенно усложняют решение проблемы, так как требуют выполнения особо детальных исследований. Применение для этой цели гравимагнитных, электромагнитных, сейсморазведочных данных и детальных геологических съемок не привело к однозначным результатам, по всей видимости, из-за малой глубинности исследований, ограниченных, как правило, осадочным чехлом, а при региональных (глубинных) построениях — из-за недостаточной разрешающей способности используемых геофизических методов.

Таким образом, актуальность исследования определяется необходимостью повышения детальности глубинных сейсмических исследований, заключающейся в обработке полученных ранее данных по современным методикам численного моделирования волнового поля.

Цель исследования.

По данным глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) и двумерного численного моделирования волнового поля выделить локальные структурновещественные неоднородности земной коры в районах кимберлитовых полей Западной Якутии и оценить ее вещественный состав по комплексу сейсмических и гравитационных данных. Задача исследования.

Установить связь особенностей волнового поля с распределением локальных скоростных и плотностных параметров земной коры, проявляющихся в районах кимберлитовых полей.

Поставленная задача решалась в несколько этапов:

1. Составление уточненных сейсмических моделей земной коры по трем профилям ГСЗ пересекающим Мало-Ботуобинский и Далдыно-Алакитский кимберлитовые районы на основе численного двумерного моделирования кинематики волн.

2. Определение закономерностей в изменении скорости продольных и поперечных волн, плотности, упругих модулей и коэффициента Пуассона в земной коре с использованием построенных сейсмических моделей.

3. Оценка вещественного состава коры по рассчитанным сейсмоплотностным характеристикам.

Фактический материал, методы исследования.

Основой работы являлся экспериментальный материал ГСЗ (первичные данные, около 13 000 сейсмических трасс, хранившиеся в аналоговой форме на магнитных носителях), полученные коллективами организаций: Якутским институтом геологических наук СО РАН, Ботуобинской геологоразведочной экспедицией АК АЛРОСА, Новосибирской опытно-методической вибросейсмической экспедицией (НОМВЭ СО РАН СССР) и Объединенным институтом геологии, геофизики и минералогии (ОИГТиМ СО РАН СССР) в период 1981;1986 гг.

Теоретической основой решения поставленной задачи являются метод дискретной корреляции опорных волн (Пузырев и др., 1978) и лучевая теория распространения сейсмических волн в неоднородной изотропной среде. В работе использованы: — времена вступлений опорных Ри Б-волн;

— данные, полученные в результате численного сейсмического моделирования;

— данные гравитационного моделирования, согласованного с полученными сейсмическими разрезами;

— лабораторные измерения плотности и коэффициента Пуассона на образцах горных пород (около 750 определений) {Баюк и др., 1988; Christencen, 1996).

Основной метод исследования — численное решение прямой кинематической задачи сейсмики в двумерно-неоднородной среде (Cerveny et al., 1977), реализованное в программе Ray 84РС, составленной в Геологическом институте Копенгагенского университета (Н. Thybo and J. Lauetgert). Достоверность теоретических расчетов подтверждается малым различием полученных значений с наблюденными временами пробега и объемом использованных данных (около 6000 времен вступлений опорных волн ГСЗ, полученных в 1981, 1983 гг. в Мало-Ботуобинском и 1986 г. в Далдыно-Алакитском районах).

Достоверность сейсмических разрезов подтверждается результатами гравитационного моделирования при соотношении скорость-плотность, близкому к данным по другим платформенным областям.

Защищаемые научные результаты:

1. В слоях консолидированной коры Якутской кимберлитовой провинции нарастание скорости с глубиной не превышает 1−2%. Это обуславливает скачки скорости на сейсмических границах до 3−7%, необходимые для согласования со значением скорости во всей толще коры, определяемой по данным отраженной волны от Мохо.

2. В земной коре районов кимберлитовых полей выделены локальные скоростные неоднородности, распределенные по глубине вплоть до раздела Мохо. Они рассматриваются в качестве сейсмических критериев для прогнозирования участков поиска кимберлитов.

3. Использование данных о распределении скорости продольных волн, коэффициента Пуассона и плотности (по гравитационным данным).

Щ значительно сужает неоднозначность оценки вещественного состава земной коры и указывает на отсутствие в ней значительных объемов мафических гранатовых гранулитов.

Научная новизна. Личный вклад: 1. Проведена интерпретация составленных скоростных двумерных моделей земной коры и оценена их достоверность, на основе анализа волновой картины, выбора модели первого приближения и использовании результатов численного моделирования в сейсмогеологических условиях Якутской кимберлитовой провинции: * - оцифрованы сейсмограммы ГСЗ по материалам полевых работ в.

Мало-Ботуобинском (р. Олгуйдах — г. Мирный — г. Ленек, 1981 г.- п. Тас-Юрях — п. Алмазный — п. Малыкай, 1983 г.) и Далдыно-Алакитском (р. Моркока — г. Полярный — р. Муна, 1986 г.) районах. Составлен банк данных, представленный массивами цифровых шестиканальных сейсмограмм (седьмой канал марки времени) с соответствующим паспортом. Данные визуализированы монтажами, составленными из одноканальных трасс;

— основываясь на сопоставления наблюденных данных и результатов численного лучевого моделирования особенностей волнового поля ф выделен ряд локальных скоростных аномалий в земной коре, проявляющихся в районах кимберлитовых полейразличие между наблюденными и теоретическими временами пробега волн не превышает для продольных волн 0,08 с, для поперечных волн 0,2 с;

— по результатам численного моделирования построены сейсмические модели земной коры Мало-Ботуобинского и Далдыно-Алакитского районовустановлено, что земная кора представляет собой слоисто-блоковую модель с малым нарастанием скорости с глубиной в пределах слоев и заметными перепадами скорости на сейсмических границах;

— анализ сейсмических моделей земной коры в районах кимберлитовых полей позволил выделить локальные (с поперечным размером 30−60 км) аномалии пониженной скорости в верхах и повышенной в низах коры.

2. Установлена региональная линейная корреляция скорости продольных волн и плотности, по материалам гравитационного моделирования сейсмического разреза, выполненного A.B. Манаковым. При практически постоянном коэффициенте Пуассона, рассчитанные изменения модулей сжатия и сдвига в коре более контрастно характеризуют обнаруженные аномалии скорости.

3. Доказано отсутствие в коре значительных объемов пород высокой степени метаморфизма типа мафических гранатовых гранулитов на основе сопоставления геофизических данных с лабораторными измерениями на образцах горных пород. Наиболее представительными для всей коры региона могут быть породы близкие к гранат-дистеновому гранулиту.

Практическое значение.

Обнаруженные в земной коре кимберлитовых районов локальные аномалии скорости могут быть использованы при прогнозе участков, перспективных на поиск проявлений кимберлитового магматизма в Западной Якутии.

Сейсмические параметры земной коры наиболее стабильной части Сибирской платформы могут использоваться для сравнения с данными, полученными в сейсмоактивных областях, с целью выделения и изучения характеристик, связанных с современными геодинамическими процессами.

Предложенная схема интерпретации данных ГСЗ дает возможность получения дополнительной, более детальной информации без значительных материальных затрат, кроме того, оцифрованные данные важны для проведения последующих сейсмических исследований.

Публикации и апробация работы.

Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались: на ежегодной международной научно-практической конференции «Студент и научно-технический прогресс» (присужден диплом первой степени). (Новосибирск, 1999 г.), на международном симпозиуме.

Deep seismic profiling of the continents and their Margins" (Ульвик, Норвегия, 2000 г.), на международной геофизической конференции «Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий» (Новосибирск, 2000 г.), на геофизической конференции «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001 г.), на конференции посвященной 90-летию со дня рождения академика A.JI. Яншина «Фундаментальные проблемы геологии и тектоники Северной Евразии», на конференции «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001 г.), на международной конференции «Проблемы сейсмологии Ш-го тысячелетия» (Новосибирск, 2003 г.), на международном совещании «AGU 2002 Fall Meeting Moscone» (Сан-Франциско, Калифорния, 2003 г.), на совещании (Алмазы-50) «Эффективность прогнозирования и поисков месторождений алмазов: прошлое, настоящее и будущее» (Санкт-Петербург, 2004 г.), на международной научной конференции посвященной 90-летию со дня рождения академика H.H. Пузырева «Сейсмические исследования земной коры» (Новосибирск, 2004 г.), на международном симпозиуме, посвященном 70-летию академика Н. В. Соболева «Эволюция континентальной литосферы, происхождение алмазов и их месторождений» (Новосибирск, 2005 г.).

По теме диссертации опубликовано 12 работ, из которых 2 статьи в рецензируемых журналах, 7 — материалы российских и международных конференций, симпозиумов, совещаний, 3 — тезисы в трудах российских конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения с общим объемом 128 страниц, содержит 43 рисунка.

Список литературы

включает 84 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основное внимание в этой работе уделено обработке материалов профильных наблюдений ГСЗ. Одним из важных моментов являлось выявление дополнительных возможностей современных технологий обработки и интерпретации результатов. Было показано, что решение прямой кинематической задачи в двумерной модели позволяет значительно уточнить параметры сейсмического разреза и выполнить анализ надежности получаемых данных.

Такой подход к интерпретации данных ГСЗ позволил выделить под кимберлитовыми полями в верхней и нижней части коры локальные скоростные неоднородности (с поперечными размерами 50−70 км), приуроченные к вертикальным зонам, протягивающимся через всю толщу коры. Вследствие локальности, эти аномалии могут соответствовать ограниченным телам, возможно, магматической природы с характеристиками, отличающимися от вмещающей среды. Их существование могло обеспечить повышенную проницаемость коры для кимберлитов. Представляет значительный интерес изучить пространственное положение выделенных аномалий, которое может быть получено при обработке данных площадных наблюдений ГСЗ.

Представлен комплекс геофизических данных, включающий определения скорости продольных, поперечных волн и результаты гравитационного моделирования для оценки плотности, соответствующей сейсмической модели земной коры. Набор этих данных позволяет анализировать особенности распределения коэффициента Пуассона и упругих модулей сжатия и сдвига в коре. Показано, что изменение упругих модулей повторяет закономерности распределения скорости продольных волн, но дает дополнительные сведения о свойствах локальных аномалий. Аномалии пониженной скорости в фундаменте и повышенной в низах коры имеют соответственно и различные плотности, но близкие значения коэффициента Пуассона.

Попытка определения оценки вещественного состава земной коры по комплексу имеющихся данных показывает неоднозначность решения такой задачи. В частности, использовать только величину плотности можно для очень приблизительных оценок вещественного состава крупных блоков земной коры, поскольку одному значению плотности может соответствовать ряд пород с различной скоростью.

Выяснилось, что лабораторные данные из опубликованных сводок, соответствующие сейсмическим и гравитационным наблюдениям, не обладают необходимой полнотой и показывают значительный разброс значений. Возможно, последнее обусловлено тем, что использованы образцы пород из различных регионов, с другими условиями формирования коры, чем в кимберлитовой провинции. По всей видимости, по этой причине существует заметное различие в значениях коэффициента Пуассона по лабораторным измерениям приведенных в сводках данных (Баюк и др., 1988; СИ^епсеп, 1996). Таким образом, трудно оценить надежность полученных выше оценок вещественного состава коры Далдыно-Алакитского района. Для этого требуется анализ геологических и петрологических данных района исследований, что не входило в нашу задачу.

Несмотря на это, определенные ограничения на возможный состав коры получены. Наиболее интересным представляется отсутствие в земной коре архейского кратона значительных объемов пород с высокой степенью метаморфизма типа мафического гранатового гранулита, для которого характерна высокая скорость ~ 7,3 км/с (из расчетов по минералогическому составу до 7,7 км/с при плотности около 3,15 г/см). Завышенные Р-Т параметры метаморфизма гранулитов также не свойственны нижней коре этого региона (Бузлукова и др., 2004). Такое несоответствие, возможно, указывает на то, что гранатовые гранулиты могут присутствовать в виде линз и прослоек.

Более определенную оценку вещественного состава земной коры можно будет получить, если использовать лабораторные и геофизические данные, полученные в пределах одного региона (хотя и при этом нет полной ясности в корректности сопоставления данных для образцов пород малого размера и натурных наблюдений для крупных массивов).

В этом смысле Якутская кимберлитовая провинция, где имеются широкий набор коровых ксенолитов, представляет особый интерес для проведения комплексных геолого-геофизических исследований структуры и вещественного состава коры и мантии.