Глибинне будова Південної Камчатки з геофізичних
даними
Ю. Ф. Мороз, Л. І. Гонтова
Наводяться
результати геофізичних досліджень, виконаних на Південній Камчатці. Виявлено особливості
глибинної будови земної кори і верхньої мантії до глибини 90 км. Встановлено
чітка кореляція швидкісних структур суші та акваторії шельфової зони Тихого
океану. Створена комплексна геолого-геофізична модель Авачинська вулкана.
Розглянуто можливі геодинамічні процеси, що протікають в земній корі в
даний час. Дано рекомендації для буріння глибокої свердловини в районі
Авачинська грабена з метою пошуків геотермального родовища.
Подання
про глибинний будові Камчатки послідовно розвиваються в міру накопичення
геолого-геофізичних даних. В останні роки в межах Південної Камчатки
виконаний значний обсяг досліджень методами сейсмології і
магнітотеллуріческого зондування. Отримані дані дають можливість значною
мірою уточнити глибинне будову даного району в цілому, а також
Авачинська-Коряцький групи вулканів зокрема. Цій проблемі і присвячена
ця Стаття.
1. Глибинна геофізична модель літосфери Південної
Камчатки
Рис. 1
Результати попередніх геофізичних
досліджень методами гравіметрії, сейсмометри і магнітотеллуріческіх
зондувань узагальнені і подані у вигляді розрізу земної кори і верхньої
мантії уздовж геотраверса II, що перетинає сушу і прилеглу акваторію
Авачинська затоки (рис.1). Досліджуваний
район півострова характеризується складною геологічною будовою [7,33,34].
Тут на відміну від всієї його території, де переважає лінійна зональність
тектонічних споруд північно-східного простягання, розвинуті також структури
північно-західній поперечної орієнтування (рис.2).
У цій частині Південної Камчатки виведені на поверхню найбільш стародавні
метаморфічні породи, з якими пов'язується консолідований фундамент,
підстильний осадочно-вулканогенні чохол. Східний вулканічний пояс в
районі геотраверса представлений Авачинська-Коряцький групою вулканів.
Рис. 2
Основні особливості глибинної будови
Камчатки обумовлені близькістю до сейсмофокальной зоні (СФЗ). Ширина цієї зони
на поверхні складає близько 200 км. Лінія максимальної сейсмічності
проходить по східних півострова і затоках і приурочена до глибин 0-40 км.
Проекція вулканів на СФЗ відповідає область з різким зменшенням числа
землетрусів. Для Авачинська-Коряцький групи вулканів ці глибини складають
близько 100 км. Передбачається, що особливості вулканізму обумовлені
процесами, що відбуваються в сейсмофокальном шарі або його верхньої частини [29].
Існуючі
уявлення про характер зміни сейсмічних швидкостей Vp в
верхній мантії засновані на даних сейсмологічних спостережень [3,4,22,28].
Пружні параметри під Камчаткою змінюються складним шляхом, однак у середньому
вони є відносно низькі і в самій верхній частині складають близько 7,8 км/с (рис.1). Їх значення збільшуються в бік океану
і північно-західної половини півострова. Повільна зона в районі
сучасного вулканізму підведена до глибини не менше 50 км. Мабуть,
швидкісні аномалії у верхній мантії відображають процеси, що протікають в зоні
субдукції. У районах сучасного вулканізму нижня частина кори і верхньої мантії
характеризується зниженою швидкістю і підвищеним загасанням сейсмічних хвиль
[22,28,31,32].
За
даними магнітотеллуріческіх зондувань встановлено, що земна кора містить
шар підвищеної електропровідності на глибинах 10-40 км [14]. Цей шар розвинений
під середньою частиною півострова і витягнуть уздовж Камчатки на відстань понад
1000 км. Він приурочений до внутрішньої вулканічної дузі. Тут шар наближається
до денної поверхні до глибини 8-10 км, а його максимальна електропровідність.
Під сучасними вулканами виділяються локальні аномалії підвищеної
електропровідності. Верхня частина кори східного узбережжя характеризується
підвищеним електричним опором. Не виключено, що середня частина кори
також містить шар зниженого опору. Однак провідність цього шару
на порядок менше, ніж під Центральною частиною Камчатки [14,17].
В
верхній мантії виявлений шар зниженого електричного опору. Покрівля
шару з глибини 100 км на Західній Камчатці піднімається до 50 км під зоною
сучасного вулканізму. При цьому електричний опір шару зменшується
до першого одиниць Ом. м. У бік Тихого океану провідність
верхнемантійного шару істотно зменшується. Поверхня цього шару, мабуть,
близька до ізотермі 12000С і є кордон, нижче якої
можливо часткове плавлення речовини. Ця межа була прийнята опорної при
розрахунку геотермічного розрізу за допомогою кривих розподілу температур для
міогеосінклінальной і евгеосінклінальной зон [23].
Як
випливає з геотермічного розрізу, які проводять зони в земній корі приурочені до
інтервалу геоізотерм 400-8000 (рис.1).
Відомо, що породи земної кори при таких температурах мають електричне
опір сотні-тисячі Ом. м. Тому природу проводять зон у
земній корі Камчатки опором у перші десятки-одиниці Ом. м
можна пов'язати з наявністю рідких флюїдів і електропровідних сульфідних
утворень.
Наведені
дані свідчать про дуже складному будову літосфери Камчатки і
необхідність більш детального вивчення глибинних неоднорідностей.
Модель електропровідності земної кори
Рис. 3
В останні роки на Південній Камчатці виконані
спостереження МТЗ по двом регіональним профілями, які дають можливість у
значною мірою уточнити і доповнити існуючі уявлення про структуру
електропровідності земної кори. Методика інтерпретації і аналіз результатів
даних МТЗ детально викладені в роботі [17]. Отримані результати наведено на рис.3. Вони зводяться до наступного.
Геоелектріческая
модель містить корови проводить шар, добре розвинений на більшій частині
площі, за винятком східного узбережжя, де він майже відсутній.
Опір шару від 5-10 Ом.м на заході збільшується до 80 Ом.
м в центральній частині профілю, при цьому його потужність зменшується до 15 км.
Далі на схід, в районі Авачинська-Коряцький групи вулканів, відбувається
зменшення опору кори до 15 Ом. м на глибині 8-35 км. Тут
з-за сильного ефекту S (вузька проводить зона в осадочно-вулканогенно чохлі)
параметри коров'ячого провідника визначаються неоднозначно. На схід за профілем
опір коров'ячого шару зростає до 200 Ом. м, потужність
складає 25 км.
Щодо
природи коров'ячого проводить шару можна відзначити наступне. Електричне
опір верхніх частин консолідованої кори 1000-2000 Ом. м.
При нормальному розподілі глибинної електропровідності нижні товщі земної
кори мають питомий опір не менше 500 Ом. м [5,14], тому
природу проводить шару в земній корі Південної Камчатки опором у
десятки-одиниці му на метр можна пояснити наявністю рідких флюїдів. Грубі
оцінки показують, що досить десятих часток відсотка щодо обсягу
флюїдів в пов'язаних каналах, щоб забезпечити зменшення опору гірської
породи до десятків - одиниць му на метр. Можна припускати, що на більшій
частини площі корови проводить шар пов'язаний з наявністю високомінералізованих
гідротермальних розчинів. У зоні V (рис.3),
де розташовується Авачинська-Коряцький група вулканів, корови провідник може
бути обумовлений наявністю магматичних розплавів. У східній частині профілю
відсутній низькоомний корови провідник; тут-таки відзначена інтенсивна
позитивна аномалія поля сили тяжіння.
За
даними електропровідності можна оцінити пористість і проникність порід земної
кори Південної Камчатки. Для цього скористаємося даними робіт [5,6]. Згідно
закону Арчі
=
ф
/ k2
де
--
питомий опір вологому породи, ф
- Питомий електричний опір флюїда; k - пористість. При =
2000 Ом. м значення ф
= 0,3 Ом. м, пористість верхніх частин земної кори до глибини
10 км дорівнює 0,8%. Ця величина близька до даних по північному заходу США, отриманим
Л. Л. Ваньяном. Про проникності верхніх частин консолідованої земної кори
можна судити по залежності питомого опору вологих порід від їх
проникності [36]. При опорі кори в 1400 Ом. м проникність
її ~ 10-21 - 10-22 м2. При такій проникності
час проникнення флюїда з коров'ячого шару у верхні горизонти земної кори
буде ~ 50 млн.років. Вік вулканізму Авачинська-Коряцький групи вулканів
складає перші мільйони років. Мабуть, більш швидке проникнення
флюїдів у верхні горизонти кори в цьому районі визначається наявністю
глибинних розломів. Вже вказано, що в зоні V електропровідність кори між
осадочно-вулканогенних чохлом, що заповнює грабен, і корови шаром визначається
вкрай неоднозначно. Не виключається, що тут існує вертикальний
провідник, обумовлений глибинними розломами, по яких магматичні
розплави надходять на поверхню. Можливо, з цими розломами пов'язана
сучасна вулканічна діяльність Авачинська-Коряцький групи вулканів.
Об'ємна швидкісна модель
Незважаючи
на значний обсяг сейсмічної інформації, в даний час практично
відсутній швидкісна модель Камчатки, що включає області омивають її
акваторій. Сейсмічні спостереження ДСЗ-КМПВ виконані в наземної частини
півострова з використанням методики кусково-безперервного профілювання з
великими пропусками у спостереженнях [2,8,9 и др.]. Вони були зосереджені, в
основному, в районах Авачинська-Коряцький і Ключевський груп вулканів, тобто
територія Камчатки в цілому слабко вивчена цими методами. Крім того, довжина
сейсмічних профілів не дозволила виконати коректні оцінки швидкісних
параметрів по поверхні Мохоровичича (М). З цієї причини залишається відкритим
питання про потужності кори під Камчаткою та сейсмічні характеристики зони
переходу кора-мантія. Більш довгі гілки Годограф отримані за
наземно-морського профілю, що перетинає Авачинська затока [8,27 та ін], проте
отримані результати з ряду причин (в основному, рідкої мережі спостережень) також
вкрай суперечливі [1]. Крім того, слід відзначити великі складності в
виконання сейсмічних спостережень за сигналами від вибухів і необхідність
величезних фінансових вкладень, що практично робить неможливим їх
здійснення в даний час. Разом з тим на Камчатці існує детальна
мережа сейсмологічних станцій, які реєструють тисячі землетрусів,
просвічують земну кору і верхню мантію під півостровом і прилеглими
акваторіями. Ці дані також мало використані для оцінок швидкісних
параметрів. Це, безумовно, було пов'язано зі значними помилками в
визначенні координат Гіпоцентр землетрусів і відсутністю обчислювального
апарату для вирішення зворотного тривимірної задачі. Напевно, з цієї причини
існують лише поодинокі праці, завдяки яким видані перші схеми
розподілу швидкості Vp під Камчаткою і акваторіями, а також у
області перетину Курило-Камчатської і Алеутській острівних дуг [3,22,28]. Ці
роботи продемонстрували чітку кореляцію швидкісних аномалій з глибинної
тектонікою регіону і підтвердили перспективність розвитку даного напрямку
на Камчатці.
Тут
наведені результати томографічної відновлення об'ємної швидкісної моделі
земної кори і верхньої мантії Камчатки в її південній частині. Для цього
використовувалися часи вступів P-хвиль від близьких землетрусів, які, в
основному, зосереджені в сейсмофокальном шарі. Вони взяті з інструментального
каталогу землетрусів Камчатки (в остаточній обробці) за період 1992-1998
рр.., складений Камчатської дослідно-методичної сейсмологічної партією
(КОМСП) ГС РАН. Кількість зареєстрованих подій в каталозі ~ 13000,
сейсмічних променів, просвічують кору і мантію від Гіпоцентр до станцій, ~
100000. Однак обсяг використаної інформації був значно обмежений
точністю вхідних даних, яка загалом досить низька. Причина та області
помилок детально проаналізовано в [30]. Для розрахунків були обрані
землетруси, точність визначення часу в осередку для яких не досягала
0,4 сек, точність визначення координат епіцентрів не перевищувала по горизонталі
20 км і по вертикалі - 10 км. Також накладалися обмеження щодо
енергетичного класу (К> 11), чіткості вступу P і S хвиль, числу
станцій, що беруть участь у визначенні Гіпоцентр, Т0 та ін У обробку
приймалися події з глибиною, що не перевищує 45 км. У зв'язку з цим глибина
проникнення сейсмічних променів для обраних подій не перевищувала 90 км. Ця
цифра обмежує швидкісну модель по глибині. Виходячи з перерахованих вище
обмежень, з каталогу було вибрано тільки 1400 землетрусів. На основі
аналізу осредненних спостережені Годограф для обраних подій виконана
оцінка середньої потужності земної кори під Камчаткою і весь обсяг літосфери розбитий
на три шари:
