Тяпкін К.Ф. Фізика Землі

Подождите немного. Документ загружается.

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 відомо-

стей про електричні властивості порід на великих глибинах може

бути їхнє прогнозування способом вивчення зразків гірських по-

рід за температур і тисків, що відповідають значенням цих пара-

метрів у глибинних частинах Землі. Проте, як уже підкреслюва-

лось, не варто сподіватися, що такого роду дані відповідатимуть

реальним. У кращому разі можна отримати уявлення про тенден-

ції зміни електричних властивостей гірських порід залежно від

тиску і температури.

Вертикальний електричний розріз. Дані про вертикальний елек-

тричний розріз земної кори і верхньої мантії отримують за ре-

зультатами 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 глиби-

ни і- У процесі вимірювань отримують значення спектрального

імпедансу 7. із виразів

де Е^ Е

—

електричні компоненти електромагнітного поля; Н

—

магнітні компоненти електромагнітного поля.

На практиці звичайно користуються ефективними значення-

ми імпедансу ^ф, що обчислюються як одне із середніх значень

2-цу І Ту,?

Оскільки величина імпедансу є функцією закону зміни пито-

мого електричного опору з глибиною і і частоти наявного елект-

ромагнітного 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 р

, що обчислюється за формулою

\А

=-Щ (8)

юц

де Цо — магнітна проникність середовища.

Таке трансформування полегшує інтерпретацію результатів

МТЗ, оскільки завдяки скінефекту криві р

дають якісне уявлення

про характер зміни електричного розрізу з глибиною.

Нижче наведено результати вивчення вертикального електри-

чного розрізу консолідованої земної кори і верхньої мантії за до-

помогою 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 со-

тні кілометрів (рис. 29, а).

Найпоширенішою є узагальнена модель геоелектричного роз-

різу, запропонована Л.Л. Баньяном [33], який поділив глибинні

розрізи на два типи: нормальний (платформений) та аномальний

(геосинклінальний). В обох випадках геоелектричний розріз кон-

солідованої земної кори (без осадового чохла) апроксимується

сімома шарами із «ступінчастою» зміною питомого електричного

опору. Питомий електричний опір верхніх 10 км розрізу перебу-

ває в межах (1 ... 4)10

Ом-м. У платформених ділянках у цій час-

тині розрізу простежується деяке збільшення питомого електрич-

ного опору з глибиною, мабуть пов'язане з природним зменшен-

ням пористості і, відповідно, обводненості порід. У шарах, що

залягають нижче, простежується зменшення питомого електрич-

ного 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 р

одного або двох мінімумів. Інтерпретація

такого роду кривих у межах горизонтально-шаруватих моделей

дає змогу зробити висновок про наявність одного або двох конт-

растних провідних шарів, питомий електричний опір яких стано-

вить декілька десятків ом-метрів. Верхній провідний шар фік-

сується в корі на глибинах 10—30 км, а нижній — у верхній ман-

тії на глибинах 70—140 км й ототожнюється з електричною ас-

теносферою.

Особливістю альтернативної моделі «нормального» електрич-

ного розрізу, введеної О.С. Семеновим і О.О. Жамалетдиновим

[67], є наявність у кристалічному фундаменті верхнього провід-

ного шару, складеного графітизованими або сульфідизованими

породами. Цьому шару, що дістав назву 8С-шару (сульфідно-

р,Ом-м

10°

; г \

VI/ V

1,0 10 10

,Ом-м

1/2

1,0 10 10'

,Омм

Рис. 29. Схематичні криві зміни р з глибиною:

—

для блоків з нормальним електричним розрізом 1(1 ~ криві і межі зміни ру поодиноких зонду-

вань) та за наявності в розрізі ЗС-шару

2 (2 —

ділянка значень , отриманих за результатами сферич

ного аналізу магнітних варіацій); б

—

узагальнена крива р

МТЗ

для Свдно Європейської платформи

(Л; в

—

узагальнена крива МТЗ—МВЗ

(4);

—

нормальний

геоелектричний

розріз (5), що відповідає

узагальненій кривій

(4); 5а, Яг —

розрахункові криві питомого опору за даними Бенкса

(5а),

Беннета і

Ліллі (ЛЬ)

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 впроваджен-

ня альтернативної моделі з наявністю 5С-шару навряд чи випра-

вдано, оскільки ділянки розвитку сульфідно-вуглецевистих порід,

як уже зазначалось, мають порівняно обмежене поширення і від-

несені, як правило, до вузьких структур, що формуються на ме-

жах блоків вздовж розломів. Мабуть структури, складені цими

породами, доцільніше розглядати як більш провідні лінійні вклю-

чення, такі самі, наприклад, як і розломи.

Значні спотворення кривих р

, зумовлені впливом поверх-

невих неоднорідностей, зумовили необхідність отримання мі-

німально спотворених узагальнених моделей регіонів, що

вивчаються. Така модель була створена для Східно-

європейської платформи М.П. Владимировим і В.М. Дмитріє-

вим [41] на основі декількох ретельно відібраних кривих р

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 характе-

ризується величиною порядку 300 км. Отже, отримані за до-

помогою магнітотелургійних досліджень значення уявного пи-

томого електричного опору р

виявляються осередненими для

великих ділянок Землі. Якщо прийняти електричні властивості

земної кори однаковими (~10

Ом-м), то криву р

, побудовану

за кінцевими гілками окремих зондувань (див. рис. 29, 6), мо-

жна розглядати як МТЗ, що характеризує геоелектричний роз-

різ 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 варіа-

цій 1 ... 10

с свідчить про кінцеве значення питомого електри-

чного опору субстрату верхньої мантії.

У 1980 р. Л.Л. Ваньян, Н.М. Бердичевський та ін. [138] ввели

поняття про нормальний геоелектричний розріз земної кори і

верхньої мантії. Як нормальний вибрано розріз, що відповідає

платформеним умовам з тепловим потоком порядку 40 Вт/м

Крива р

для такого розрізу отримана суміщенням узагальненої

кривої р

М.П. Владимирова та В.М. Дмитрієва, доповненої ре-

зультатами МТЗ в інших районах Східно-Європейської платфор-

ми, і глобальної кривої МВЗ, отриманої за результатами сферич-

ного аналізу даних світової мережі обсерваторій. Вони виявились

цілком сумісними і вдало доповнюють одна одну. На рис. 29, в

наведено узагальнену криву р

нормального розрізу і виділено ін-

тервал, отриманий за даними МВЗ.

Так побудована крива р

у подвійному логарифмічному масш-

табі практично прямолінійна. Вона відповідає деякій смузі зна-

чень уявного питомого електричного опору в діапазоні від 10

Ом м, ЯКЩО 4т = 1 с^

до кількох ом-метрів, якщо л/Т = 10

с^.

Саме цю залежність автори пропонують вважати нормальною

кривою уявного питомого електричного опору. Кут нахилу смуги

значень уявного питомого електричного опору виявляється таким

самим, як і кут нахилу узагальненої кривої р

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 прийо-

мами інтерпретації.

Скориставшись відомими трансформаціями Нібле, Е.Ф. Файн-

берг і М.В. Фіскіна [138] перетворили нормальну криву р

на

нормальний геоелектричний розріз (див. рис. 29, в). Останній ха-

рактеризує інтервал глибин від ЗО до 300 км. Питомий електрич-

ний опір у цьому інтервалі плавно зменшується від 3-Ю

Ом м по-

близу підошви кори до ~300 Ом м на глибині 300 км. У подвій-

ному логарифмічному масштабі нормальний геоелектричний роз-

різ верхньої мантії близький до прямолінійного, так само, як і

графік р

. Важливо підкреслити, що значення питомого електри-

чного опору у верхній частині розрізу, а також плавне зменшення

питомого електричного опору з глибиною узгоджується з резуль-

татами частотних зондувань, виконаних на Українському і Бал-

тійському щитах [242].

Незважаючи на те, що для побудови нормального геоелектри-

чного розрізу використано МТЗ, виконані лише на Східно-

європейській платформі, його можна вважати характерним і для

інших докембрійських платформ з близьким тепловим режимом

[170]. Про це також свідчать дані про глобальні електричні розрі-

зи інших регіонів, наведені на рис. 29, г [246, 249]. Можна

припустити, що ступінчаста зміна питомого електричного опо-

ру є не більш ніж результатом апроксимації реального плав-

ного зменшення його з глибиною. І, нарешті, плавне змен-

шення питомого електричного опору є логічним наслідком

плавного зростання з глибиною температури — основного фак-

тора, що впливає на електропровідність.

Описаний вище нормальний розріз приймається як фон

для виділення корових і астеносферного провідників. Це здій-

снюється порівнюванням кривої р

, яка спостерігається, з

нормальною. На жаль, реалізація цієї, здавалося б, простої

процедури наштовхується на проблему врахування впливу різ-

ного роду неоднорідностей. У цьому разі звичайно реалізуєть-

ся такий підхід. Аналізують спотворення на спостережуваних

кривих р

за площею з метою пошуку такої їхньої серії, в ме-

жах 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 р

доводиться ставити у відповідність наявність провід-

них 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 пла-

вленням порід (астеносферою).

Уявлення про природу корового провідника досить супереч-

ливі і багато в чому дискусійні. Так, В.В. Гордієнко та І.М. Лог-

винов [51] корові провідники пов'язують з електронопровідними

породами або виділенням води під час десерпентизації порід вна-

слідок сучасного зростання тиску в глибині кори. Н.М. Бердичев-

ський і Л.Л. Ваньян [13] називають три основні джерела підви-

щеної електропровідності земної кори: 1) площадковий коро-

вий провідник на глибинах 10—30 км, здогадно з флюїдною

природою електропровідності; 2) електронопровідні структури

у верхній частині кристалічного фундаменту; 3) глибинні роз-

ломи, шпаруватий простір в яких насичений мінералізованими

розчинами. І.С. Фельдман [212] вважає, що розподіл електро-

провідності земної кори значною мірою залежить від її розло-

мно-блокової будови. Причому визначальну роль відіграють

вузли перетину розломів і структур, складених електронопро-

відними породами, що зазнали тих чи інших перетворень у

процесі еволюції Землі.

Багато дослідників, які вивчали корові провідники на терито-

рії Євразії [88], прямо чи опосередковано пов'язують їх із роз-

ломами. 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

аномалія провідності в межах Чехословацького і Польсько-

Чехословацького секторів Карпат віднесена до зони перетину си-

стем 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 здебіль-

шого простягання провідних зон збігається з напрямком глибин-

них розломів. А.Г. Краснобаєва встановила зону провідності в

межах Головного Уральського глибинного розлому. В.М. Фа-

дєєв і В.М. Поспєєв стверджують, що частина виявлених за МТЗ

провідних зон у Бодайбінському районі віднесені до мінералізо-

ваних 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 матері-

алах 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. Відпо-

відна йому зона провідності в фундаменті чітко фіксується на верти-

кальному розрізі р*. Привертає увагу таке. Положення субвертикаль-

ної зони провідності не корелюється з наведеним на рис. ЗО, а гео-

логічним розрізом. Винятком є пачка гнейсів, яка відбивається у лі-

вій верхній частині зони провідності на вертикальному розрізі р* ло-

кальним мінімумом. Отже, зону провідності не можна пояснити пет-

рографічним складом порід фундаменту. Залишається єдиний варі-

ант пояснення підвищеної провідності зони — збільшена шпарува-

тість зони розлому і насиченість її провідними флюїдами.

Розглянемо поведінку кривих рк ВЕЗ (див. рис. ЗО, б) на від-

стані від розлому та в його межах 2' і 2". Привертає увагу ве-

лике спотворення кривих р

ВЕЗ з рознесенням живильних ліній

вздовж простягання розлому 2" порівняно з кривими р* ВЕЗ, орі-

єнтованими перпендикулярно до розлому 2'. Криві р

, віддалені

від розлому, відповідають чотиришаровому геоелектричному роз-

різу типу рі > рг < рз < р

-> оо, а криві р

у межах розлому 2" набу-

вають вигляду, що відповідає чотиришаровому розрізу типу рі > Рг <

< рз > р

. У цьому разі значення р

у правій гілці кривої зменшукль-

• + «• + ••• + • •

ІПРк

10'

•ч.

42"

ІпДВ/2

1 Ю 10* 10 10

ШШ!

** * *

• • +

• + + •

• • •

я * *

• • •

Рис. 30. Вертикальний розріз р

вздовж профілю,

що перетинає розломну структуру за О.Г. Яненко,

М.І. Матвєєвим (а) і типові криві р

-ВЕЗ:

—

у межах непорушених ділянок;

2\ 2" —

у межах роз

ломних структур; 7

—

осадова товща; 2 - мігматити; З

—

гнейси; 4 — кора вивітрювання кристалічних порід; 5

—

свердловини; 6

—

ізолінії

р*-у

вертикальній площині, Ом м

ся до декількох ом-метрів.

Так що, коли б спотворе-

ну впливом розлому кри-

ву р

інтерпретувати за

допомогою стандартних

горизонтально-шаруватих

моделей, то в основі роз-

різу опинився б шар дуже

високої провідності. Цей

приклад є досить наоч-

ним свідченням отриман-

ня хибних висновків у

разі інтерпретації спотво-

рених кривих рк стандар-

тними прийомами.

Розглянемо вплив роз-

ломів земної кори на ре-

зультати вимірювань р

за

методом МТЗ. Українсь-

кий щит вкритий порів-

няно густою мережею

пунктів МТЗ. На рис. 31

наведено розміщення цих

пунктів, виконане ДП

«Дніпрогеофізика», за да-

ними яких складено кар-

ту р

з періодом варіацій

150 с. У північно-західній

частині щита карта допо-

внена матеріалами зйомок,

виконаних ВО «Північ-

укргеологія» (В.І. Трегу-

бенко, 1990 р.). Щільність

точок МТЗ приблизно

така сама, як і на решті

щита. На цьому рисунку

показано також системи

розломів земної кори,

встановлені раніше за

геолого-геофізичними да-

ними [203]. На карту на-

несено лише великі роз-

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

ровано.

Проаналізувавши поле значень р

на карті і зіставивши його з

просторовим розміщенням розломів, можна зробити важливі ви-

сновки

1 V межах щита спостерігаються значення р

(для одного й

юіо самою періоду варіацій 150 с), що змінюються від декількох

десятків до декількох десятків тисяч ом-метрів, тобто на три по-

рядки. У разі малої потужності осадового чохла

(И

< 100 м) і зна-

ченнях 5

, = Л/рь Щ°

не

перевищують 10 См, такі зміни р

свід-

чать про досить неоднорідну в електричному відношенні будову

фундаменту. Диференціація електричних властивостей порід фун-

ламенту по латералі перевищує такі зміни по вертикалі.

2. Однією із закономірностей розподілу значень р

на щиті

є їхній різний середній рівень у різних районах. Так, район

Середнього Придніпров'я характеризується значенням р

по-

рядку 20 кОм-м, райони Західного Приазов'я

—

значеннями р

що не перевищують 1 кОм м, а в північно-західній частині

іцига значення р

змінюються від декількох десятих часток до

декількох кілоом-метрів, причому межами таких районів є ві-

домі розломи земної кори. Найконтрастніше в полі р

виявля-

ється розлом 2.22 (Криворізько-Кременчуцький). Він відокре-

млює високоомний район Середнього Придніпров'я від доста-

тньо низькоомного, що межує з ним із заходу, Центрального.

Цей район, у свою чергу, відокремлюється від північно-

західного досить чітко розломом 4.14, хоча у формуванні скла-

днішої межі беруть участь розломи й інших систем. Низькоом-

ний район Західного Приазов'я відокремлюється від високо-

омних районів на заході південною частиною відомого розлому

2.28 (Оріхово-Павлоградського), а на сході — перетином роз-

ломів 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 при-

родному заляганні, досі ще не проводились. Проте наведені

вище дані свідчать про ефективність застосування результатів

МТЗ, а точніше магнітотелуричного профілювання, для дріб-

номасштабного районування.

3. У межах кожного з перелічених вище районів Українського

щита простежується певне чергування позитивних і негативних

7 9-38

30°

Рис. 31. Схема ізоліній р

МТЗ території Українського щита за О.І. Інгеровим,

В.Н. Гонгарен

—

осьові лінії розломів земної кори; 2

—

ізолінії р

, Ом

•

м; 3 —