НАЦIОНАЛЬНА АКАДЕМIЯ НАУК УКРАЇНИ

IНСТИТУТ ГЕОФIЗИКИ iм. С.I.СУББОТIНА

УДК 550.36 551.2

Гордієнко Іван Вадимович

АНОМАЛЬНИЙ ТЕПЛОВИЙ ПОТІК

ТА ЙОГО ГЕОТЕРМІЧНА ІНТЕРПРЕТАЦІЯ

В ЦЕНТРАЛЬНІЙ ЧАСТИНІ

УКРАЇНСЬКОГО ЩИТА

(04.00.22 — Геофізика)

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Київ — 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геофізики ім. С.І.Субботіна Національної Академії наук України

Науковий керівник | Доктор геолого-мінералогічних наук

Кулик Сергій Миколайович

Інститут геофізики Національної Академії наук України

Провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти

Осадчий В.Г., д.г.-м.н., виконуючий обов’язки головного наукового

співробітника (Інститут геології та геохімії горючих копалин НАН

України, Львів)

Оровецький Ю.П., д.г.-м.н., завідувач відділу геологічних

проблем глибинної геофізики (Інститут геофізики

ім. С.І.Субботіна НАН України)

Провідна установа: Київський університет ім. Тараса Шевченка, кафедра

геофізики

Захист відбудеться “ 27 ” вересня 1999 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.200.01 при Інститутi геофізики Національної Академії наук України за адресою: м.Київ, пр. Палладіна 32.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геофізики НАНУ.

Автореферат розіслано 18 серпня 1999 р.

Вчений секретар

Спеціалізованної вченої ради

доктор фiзико-математичних наук В.С.Гейко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Велике значення геотермічних досліджень для вирішення різноманітних проблем глибиної геології та фізики Землі вже давно не викликає сумнівів. Чверть сторіччя тому В.В.Бєлоусов писав, що “ … загальною причиною для тектонічних, магматичних и метаморфічних процесів може бути тільки тепло”. Здається явною роль вивчення теплового потоку (ТП) в ряду геотермічних досліджень: саме цей параметр найбільш повно характеризує теплову ситуацію в регіонi, дає можливість розраховувати температури (Т) на глибинах, недосяжних для свердловин, будувати теплові моделі кори та мантії Землі, вивчати регіональну та загальну теплову історію планети.

Але вивчення теплового потоку не привертає тієї ж уваги та сил, що концентруються в інших галузях глибинної геофізики, накопичення інформації на континентах та океанах йде доволі повільно, не зважаючи на сорокарічну історію сучасної геотермії лише в останній час увага привернута до визначення глибинних (не змінених приповерхневими впливами) значень ТП. В наслідок цього в багатьох регіонах неможливо чітке визначення навіть середніх (фонових) значень, не кажучи вже про виділення та інтерпретацію аномалій. Ці фактори сприяють тому, що геотермічні дані в абсолютно недостатній мірі використовуються як при розробці гiпотез глибинних процесів у надрах Землі так і під час геологічної інтерпретації сейсмічних, гравіметричних, магнітних та геоелектричних даних. Взагалі їх використання має часом абсолютно суб’єктивний характер.

Зробленi зауваження відноситься i до докембрійських платформених регіонів та щитів, де на значних теріторіях відсутні (точніше — досі не визначені) помітні збудження ТП, а наявні варіації можуть бути, за досить поширеною, але не дуже аргументованою точкою зору, приблизно виправдовуватися варіаціями радіогенної складової теплового потоку і таким чином не потребують уявлення про активнi глибиннi процеси. Хоч загальновідомо, що в межах докембрійских платформ були розташовані в геологічному минулому активні (в тому числі рифтові) структури, в яких проходили інтенсивне прогинання, утворення розломів, магматизм. Можна навести приклади і сучасних явищ цього типу — Східно-Африканська рифтова система, Байкальська рифтова зона та інші. Менш вражаючими, але всеж таки доволі достовірними проявами сучасної активізації можуть бути визнанi великі позначки рельєфу багатьох частин Алданського та Анабарського, Канадського та Західно-Австралійського щитiв і т.i..

В принципі досить реальною здається ситуація з ще більш молодим, геологічно зовсім недавно розпочатим активним процесом на докембрійській платформі, в тому числі на щиті. Будь-які геологічно зафiксовані прояви такого процесу взагалі відсутні, але глибинний тепломасоперенос вже почався та привів до змін температур (та й усіх інших фізичних властивостей речовини) у значних інтервалах глибин. Можлива і помітна зміна теплового потоку, якщо джерело тепла сформувалося досить часу тому (для реальної глибини джерела) або процес переносу тепла до поверхні був прискорений конвективно. В таких районах сучасної активізації геологічно довго пасивних платформ геофізичним методам і, насамперед, геотермії повинна належати провiдна роль у діагностиці та вивченні глибинних процесів, традиційні геологічні підходи тут просто недоречі.

Вивченню одного з таких районiв і присвячена дана робота.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувалися в межах робiт за плановими темами відділу тектоносфери ІГФ НАНУ “Вивчення тектоносфери зон молодої активізації України“ (1992-1996р.р.) та “Геофізичні та геодинамічні моделі тектоносфери України“ (з 1997р.), а також в межах робіт по гранту U 59000 Міжнародного наукового фонду “Виділення та дослідження зон молодої активізації України”, грантам 6.3/21 (“Вивчення тектоносфери зон активізації Українського щита та Донбасу”) та 6.4/6 (“Геотермічний Атлас України”) Державного фонду фундаментальних досліджень України, проектам 1/96 (“Геофізичні дослідження та геофізичні моделі золоторудних дільниць на Українському щиті та в Донбасі”) та 3/97 (“Розробка технології виділення по геофізичним даним дільниць, що перспективні на золоте зруденiння, в межах рудних полів Донбасу”) Державної програми “Золото України”, гранту Президії Національної Академії наук України “Банк геотермічних даних України“.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є визначення та вивчення у центральнiй частинi УЩ досить регулярних на теріторії України аномалiй теплового потоку зон сучасної активiзацiї, їх можливої природи, та вiдповiдних глибинних процесiв i їх вiдображення у iнших фiзичних полях.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблена нова методика обчислення ТП за даними вимірів температур на забоях неглибоких свердловин. Вперше досягнута на досить значній теріторії (приблизно 12 тис. км2) висока щільність мережі визначень ТП (1530 значень), що дозволило вивчати досі невідомі особливості структури теплового поля.

Проведено інтерпретацію аномалій ТП для нового типу джерела тепла - гідротермальної конвекції флюїду у зоні глибинного розлому. Побудовано теплову модель кори та верхніх горізонтів мантії Кіровоградської зони активізації. Визначено відповідність моделі всім даним глибинної геофізики. Висунута гіпотеза сучасного глибинного процесу у зоні початкового етапу тектоно-магматичного процесу.

Достовiрнiсть отриманих результатiв забезпечується великим обсягом експериментальних даних, що дозволяє робити статистично обгрунтованi висновки, із використанням усiх вiдомих методик редукцiї ТП та сучасних методiв iнтерпретацiї аномалiй для трьохмiрних джерел, комплексним пiдходом, який забезпечує рiзнобiчний контроль теплових моделей.

Практичне значення одержаних результатів. Результати використані при визначеннi перспективних дiлянок золотого зруденiння та можуть знайти застосування для оцiнки мiсцевої сейсмiчностi. Результати досліджень, що наведені в дисертації, вже використовуються науковими та виробничими організаціями геологічного напряку на Україні: об’єднанням “Кіровгеологія” та “Північукргеологія” Держгеолкома України, НДПІ Трансгаз, ІГМР НАНУ, а також ГІН РАН.

Публiкацiї та апробацiя. Результати опублiкованi у 12 статтях, надрукованих у співавторстві, та 3 самостiйних (поданих до друку), та доповідал

ися на міжнародних нарадах: “Теорія та практика магнітотелуричного зондування” (1994, Москва), “Глибинна будова літосфери та нетрадиційне використання надр Землі” (1996, Київ), “Теплове поле Землі та методи його вивчення”(1997, 1998, Москва).

Особистий внесок здобувача. Більшість робіт за темою дисертації було надруковано у співавторстві, що відображає стиль комплексних геофiзичних дослiджень у відділі тектоносфери — лише невелика кількість експериментальних операцій може бути виконана одноосiбно, а усі інші потребують участi кiлькох фахiвцiв рiзних спецiальностей. Iнтерпретацiя геотермiчних даних, узгодження їх з iншою геолого-геофiзичною iнформацiєю та висновки роботи були виконані особисто автором. Звичайно, робота не могла бути виконана без пiдтримки спiвробiтникiв вiддiлу, яким автор висловлює свою щиру подяку.

Обсяг I структура роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, заключної частини та переліку посилань (80 найменувань). Робота містить 120 сторінок тексту, 2 таблиці та 19 малюнків.

КОРОТКИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

Глава 1. Коротка геолого-геофізична характеристика району досліджень.

В главі наведено стислий огляд геологичних даних про будову, історію розвитку та склад порід східної частини Кіровоградського блоку щита та Західно-Інгулецкої зони, що є необхідним для аналізу теплового поля, розуміння природи аномалій та встановлення зв’язків з іншими полями та процесами у надрах. Із даних глибинної геофізики наведені тільки дані по будові земної кори, отримані ГСЗ. Інша геофізична інформація надається у iнших роздiлах роботи, де вона бiльш доречна.

Розглянуто структурні форми та склад протерозойських порід амфіболітової фації метаморфізму Інгуло-Інгулецької серії (потужністю до 10 км), їх здатність утворювати перші відсотки розплаву за РТ-умов, що відповідають глибині до 10 км та температурі коло 6000С, та значний відсоток графітових гнейсів у складі серії. Такі ж породи (хоча і в значно меншій кількості) встановлені і у архейському фундаменті, для якого більш характерний гранулітовий рівень метаморфізму.

Наведені дані про глибинні розломи, їх роль у розвитку окремих частин блоку, про періодичні активізації, що відображалися у тектонічних та магматичних подіях. Активізації за деякими даними розповсюджувалися і на фанерозой - до мезозою включно. Тому сучасна активізація не виглядає дивною.

У активізованому регіоні (крім центральної частини щита до його складу входять також райони на північ та південь від нього) констатовані дуже значні зміни потужності земної кори за даними ГСЗ, що можуть бути пов`язані з глибинним процесом.

Глава 2. Вивчення теплового потоку центральної частини Українського щита.

В главі сконцентровано основний фактичний матеріал, що використовується в наступних главах дисертації., а також показана ефективність застосованої методики, що помітно відрізняється від традиційної.

Вивчення ТП щита почалося Є.А.Любимовою. Були встановлені значення ТП в 9 свердловинах - від 25 до 40 мВт/м2. Тоді вперше був визначений низький ТП УЩ, що довго вважалося нормою для нього. Подальші роботи проводилися В.В.Гордієнко, Кутасом Р.І., О.В.Завгороднєю та іншими. Перше відносно велике значення було встановлено у 1988 році —78 мВт/м2. На 1994 рік середній ТП на щиті дорівнював 38 мВт/м2.

Лише невелика частка значень ТП у регіоні встановлена за традиційною методикою. Тепловий поток є добуток геотермічного градієнту та теплопровідності порід, що долає свердловина. Теплопровідність вираховують як середню по інтервалу з урахуванням потужності шарів порід. В переважній більшості неглибоких (15-160 м) свердловин були тільки виміри Т на забої. Для розрахунку градієнту необхідне було досить точне визначення Т поверхні. За даними метеостанцій та екстраполяцій Т у неглибоких свердловинах був встановлений глобальний “тренд” та відхилення від нього.

Накопичення даних про теплопровідність почалося близько 30 років тому та триває і сьогодні. На основі великого масиву даних (більше 500 зразків) вдалося встановити закономірності змін параметру у реальних умовах для регіону.

Багато процесів впливає на температуру у свердловині: інфільтрація води з поверхні на глибину, зміна теплопровідності на межі кристалічного фундаменту та осадового шару, палеоклімат та інші. Останній фактор виявився найбільш значним. У значення ТП внесені відповідні поправки.

На теріторії досліджень була досягнута щільність мережі вимірювань у 50 разів вище за середню по Україні за винятком Донбасу, де теж є велика кількість даних.

Для всього масиву інформації потрібна була оцінка помилок вимірювань та розрахунків. За результатами обчислень у регіоні абсолютна помилка визначень ТП складає приблизно 3 мВт/м2, що дорівнює звичайній помилці розрахунку за традиційною методикою. У цілому по регіону вона менша за рахунок групових визначень, але обчислити це доволі складно і використовується така. 310 групових значень були отримані шляхом об’єднання у групи 1530 “індивідуальних” ТП.

Фонове значення ТП регіону дорівнює приблизно 45 мВт/м2. Таким чином аномальними можно вважати значення, що нижчі за 38,5 та вищі за 57 мВт/м2. Середнє значення негативної аномалії 38 мВт/м2, а позитивної — 63 мВт/м2.

Фоновий тепловий потік центральної частини УЩ узгоджується із ТП інших частин та схилів щита. Той же рівень фону спостерігається у ДДЗ та на частині Волино-Подільскої плити. Таким чином, Український щит має значення ТП, що практично не відрізняється від теплового потоку інших частин Східно-Європейської платформи в Україні. Це доволі новий результат, бо довгий час вважалося, що тут ТП помітно нижчий.

На вказаному фоні чітко вирізняється ланцюжок позитивних аномалій субмерідіонального простягання, де ТП сягає значень 70-80 мВт/м2, які раніше вважалися можливими тільки в молодих активізованих регіонах Карпат, Криму і т.д.. Це також зовсім новий результат.

Аномалія добре узгоджується із визначеною декілька років тому смугою підвищених ТП, що простягаються через південний схил щита та Південноукраїнську моноклиналь до узбережжя Черного моря. На північний схід від центру УЩ знаходиться відносно слабка (ТП не більше 55 мВт/м2) позитивна аномалія теплового потоку, що тягнеться до центральної частини Днепровсько-Донецької западини. Таким чином, аномалія ТП центральної частини УЩ є фрагментом дуже довгого (біля 300 км) підвищення ТП, що перетинає кілька різновікових структур з суттєво різною геологічною історією. В межах УЩ позитивна аномалія приурочена до Кіровоградського глибинного розлому. Приуроченність аномалії до розломів не обмежується Кіровоградським: є ще два відгалуження. Про північне вже сказано вище. В регіоні по космічним знімкам визначена серія лінеаментів, що можуть трасувати сучасно активні розломи. Така ж ситуація складається на південному боці региону, що досліджується. Позитивна аномалія ТП північно-східного простягання тут також корелює із системою лінеаментів, що визначені за космічними знімками.

Негативні аномалії супроводжують позитивні на деякій відстані.

Глава 3. Зв’язок значень ТП з іншими параметрами.

Геотермічний Банк даних зявився через необхідність зберігання та використання великого масиву геотермічних даних. Він дозволяє порівняно просто виконувати різноманітні операції з сортування, обробки та інтерпретації не тільки теплового потоку, а й багатьох інших параметрів. В межах України та Молдови встановлено ТП (без врахування більшості даних по Донбасу) приблизно у 5000 свердловинах. Вони зібрані у 2083 пунктах визначення теплового потоку.

Стандартні формати баз даних по ТП містять доволі обмежений набір інформації, що стосується розташування пункту, процесу обчислення ТП та його результату. Для Банку потрібен набагато більший обсяг даних по кожній свердловині для вирішення різноманітних задач. В Банку зберігаються дані, що відсортовані, в першу чергу, по тектонічним регіонам (таких в Україні 16). Кількість пунктів визначення ТП у кожному - від 4 в Азовському морі до 643 в ДДЗ.

Виправдання фонових та аномальних значень теплового потоку регіону вимагає перш за все порівняння їх із відомими даними про радіогенну теплогенерацію гірських порід (ТГ). Протягом багатьох років вважалося, що тепловий потік можна розподілити на дві частини. Одна з них - постійна - надходить знизу на деяку глибинну межу, вище якої є шар у поверхні із змінною величиной ТГ, друга - генерується у цьому шарі. Навіть у загальному вигляді така схема не враховує можливої наявності нестаціонарної складової теплового потоку.

У досліджуваному регіоні можна провести статистично достовірне порівняння при наявності достатньо повної інформації про ТГ поверхневих порід. На Кіровоградському блоці УЩ для майже всієї території були побудовані контури тіл із різним рівнем ТГ - карта ТГ. Розрахований рівень теплогенерації змінюється в дуже широких межах - від 0,5 до 8-10 мкВт/м3, на обмежених ділянках сягає ще більших значень. В межи карти потрапили приблизно 80% пунктів визначення ТП. Вони представляють весь діапазон ТП. Проведені обчислення довели, що звязок теплового потоку та теплогенерації приповерхніх порід відсутній.

Пошук звязку теплового потоку з концентраціями інших елементів продемонстрував слабку кореляцію, яка не може пояснити аномальні ТП. Таким чином, звязку із хімічним складом порід не помічено, що вказує на приналежність аномалій ТП до класу не обумовлених ТГ.

В центральній частині щита виявлені багаточисельні прояви золота. Їм ставились у відповідність тільки значення ТП, що встановлені на відстані до перших кілометрів від них. Це зроблено на 32 ділянках, на яких ТП визначено у 50 пунктах. Середнє значення ТП приблизно 52 мВт/м2 (на 7 мВт/м2 більше фону). Таким чином, золото концентрується переважно в районах, де тепловий потік в середньому дещо підвищений. Цей висновок не можна віднести до більшої частини щита, де дослідження потрібної детальності не проводилися. Як показали спеціальні розрахунки, виявлені збудження забов’язані молодій (скоріш за все - з сучасним продовженням) активізації. Неодноразовість подібних процесів на Клинцівському родовищі доведена по абсолютному віку мінералів, що повязані з різними етапами гідротермальної діяльності. Слід вважати, що в усіх випадках використовувалися одні канали для руху гідротерм (дуже малої потужності), не дивлячись на живлення їх з зовсім різних джерел тепла та флюїдів. Звичайно, механізм такої активізації, що дозволяє створювати локальні аномалії ТП, повинен бути спеціально розглянутий.

Гравітаційне поле (g) у регіоні має перепад приблизно 60-65 мГл, що є визначним для платформи. Співставлення g та ТП проведено для 49 пар значень, що отримані як середні у межах трапецій 10х10 хвилин географічних координат. Обробка методом найменших квадратів виявила, що диапазон ТП, що відповідає реальним значенням сили тяжіння, лише незначною мірою виходить за межі природних коливань фону: 43-52 мВт/м2.

Розглянуто тільки локальний рівень аномалій магнітного поля. При порівнянні аномалії модуля повного вектора магнітного поля із ТП були також використані середні значення у межах трапецій. Отримано 38 пар значень, обробка яких методом найменших квадратів проказала, що і ця залежність описує тепловий потік тільки на рівні фону, ніяк не пояснюючи його аномалій.

Щільна мережа профілів ГСЗ у регіоні дозволяє на достовірному рівні провести порівняння ТП з параметрами швидкісного розрізу — із потужністю кори та її шарів. Співставлення ТП з потужністю верхнього шару кори проведено для 123 пар значень. Потужність змінюється від 10 до 19 км. В результаті обробки даних методом найменших квадратів встановлено, що у диапазоні реальних потужностей шару коливання ТП невелики і цілком належать до фонової області.

Потужність нижнього шару кори визначена на меньшій площі, вона співставлена із ТП у 114 пунктах. Зміни потужності дуже великі — від 20 до 45 км, але їх вплив на ТП практично відсутній.

Розглянемо швидкості (Vp) біля поверхні та ТГ приповерхніх порід. Не дивлячись на значні перепади обох параметрів, кореляції не виявлено. Не виключено, що достовірною можна вважати тільки одну пару значень: середні величини обох параметрів у поверхні - 2 мкВт/м3 та 5,75 км/с. Ці цифри відповідають залежності, що використовувалася раніше: ТГ = 1,35ехрВ(6 - Vp). Тому підбираємо тільки В.

Передбачалося, що мантійний ТП може бути змінним. Розглянуто три групи даних ТП: фонові, позитивні та негативні аномалії з середніми величинами 45, 41 та 53 мВт/м2. Побудовано систему рівнянь, що зв`язують ТП та ТГ на основі даних про потужність шарів кори на профілях ГСЗ. Аналізом системи встановлено, що найбільш прийнятна велічина В - 1,5, а теплові потоки із мантії в групах такі: 17, 14 та 24 мВт/м2 відповідно. Коровий тепловий потік в групах виявився дуже стабільним - 281 мВт/м2. ТПм стаціонарний та повинен бути обумовлений джерелами тепла радіогенного характеру або перегрітими колись обєктами докембрійского віку, які мають забезпечити потрібні зміни ТП крізь поверхню при фіксованому розмірі аномалій (перші десятки км). Задача в такій постановці не має рішення, слід вважати, що аномальний ТП регіону нестаціонарний. Можна казати про виділення по геотермічним даним нової - Кіровоградської - зони молодої активізації.

Розглянемо звязок ТГ та щільності корових порід. Диапазон змін щільності доволі значний — 2,6-2,76 г/см3. Вдається встановити звязок параметрів, через який, використовуючи вже дані про щільність, приходимо до рівняння ТГ = 1,35ехр1,62(6,05 - Vp). ТГ стає меншою в усіх частинах кори, ніж розрахована вище. Корова складова теплового потоку - на рівні 23 мВт/м2, а фонового мантійного — приблизно 22 мВт/м2. Така велічина характерна для платформених регіонів, що спроможні до активізації.

Глава 4. Інтерпретація аномалій теплового потоку.

Матеріали, що наведені в главах 2 та 3, утворюють добру основу для початку аналіза розподілу теплового потоку в регіоні та проведення інтерпретації. Природньо, вирішення зворотньої задачі геотермії у повному обсязі принципово неможливе. В цих умовах необхідне використання різної апріорної по відношенню до геотермії інформації, що здатна регуляризовати вирішення зворотньої задачі.

Встановлене підвищення теплового потоку являє собою ланцюг невеликих аномалій, що простягнувся здовж Кіровоградського разлому. Через малий розмір аномалій усі дані були зібрані на один профіль, що проходить вхрест простягання кожної аномалії. Вважалося, що усі збудження ТП повязані з однаковими джерелами тепла. Великий розбіг велічин ТП значною мірою повязаний з тим, що реальна ширшина та інтенсивність окремих аномалій значно змінюється (від 60-65 до 80-85 мВт/м2).

В процесі аналізу розглянуто три варіанти джерел тепла: радіогенний, інтрузивний та гідротермальний. Інтерпретація для першого варіанту довела, що при довжині джерела приблизно 10-20 км потрібна глибина нижньої межі тіла на 2,5 км та ширшина обєкту у перші сотні метрів (200 м). ТГ виявляється на порядки вище реальної для порід кори. Таким чином радіогенна природа джерела неприйнятна.

Підбір вторгнення у кору молодого перегрітого обєкту дав практично той же результат: дуже вузьке тіло (100 м) близько до поверхні (1 км до покрівлі) з температурою перегріву набагато вище солідусу корових порід (вище тисячі градусів) та віком — десятки тисяч років (35 тис. років). Природньо, що такий варіант також неприйнятний.

Є ще можливість, що аномалії зявилися через підтікання перегрітої води до поверхні. Роботи по виявленню такої ситуації були проведені за участю автора у Донбасі, в районі Головної антикліналі. Наявність відємних аномалій по обох боках позитивної доводить вірність припущення про таку природу. Не вдаючись у подробиці інтерпретації приведемо основні результати: обєм порового простору, де переміщувався флюїд, дуже незначний — приблизно 1%, час перебування однієї порції рідини в межах потоку, що здіймається — приблизно 600 років. Глибина нижньої межі “конвективної дайки” — приблизно 6 км. Вона здається оптимальною для вторгнення гранітоїдного расплава.

Через зміни фонової температури по глибині (від 10 до 1000С), аномальна Т джерела теж змінюється. Під час підбору аномалії було встановлено, що температури у зоні біля поверхні стабілізуються за перші десятки тисяч років. Природньо, що практично використовувалася температура джерела флюїдів, середня за активний період (2000С на 6 км). Температура води, що досягає поверхні, незначно (на перші 0С) відрізняється від фонової. Форма аномалії пояснюється доволі складним розподілом пористості в проникній зоні (вона мала симетричну структуру): від центру 0-100 м — 0,8%, 100-1000 м — 0,2%, 1000-2000м — 0,1 %. Крім розподілу ТП модель контролює і розподіл Т у свердловині досить значної глибини (2,8 км) на відстані 1,5-2 км від осі аномалії. Забійна виміряна та розрахована температури мають відмінність приблизно 50С. Це природньо, бо свердловина знаходиться поблизу найменш інтенсивної та широкої частини аномалії.

Інформація на поверхні абсолютно недостатня через молодість джерела тепла, тому теплова модель на великих глибинах може бути тільки гіпотетичною. Схожі активізації були визначені на захід від регіону, що вивчається, на краю Східно-Європейської платформи. Вони вивчалися за участю автора комплексом геофізичних методів. Тут були виявлені обєкти (наприклад, під Бельцькою аномалією ТП) із аномально низьким питомим електричним опором в середній частині кори (коло 20 км) та низькими швидкостями сейсмічних хвиль та питомим опором в верхніх горизонтах мантії (приблизно 50-100 км). Інтерпретацією аномалії ТП виявлені джерела тепла у вигляді параллелепипеда перегрітої речовини. Джерело має довжину 100-150 км та ширшину приблизно 45 км. Глибина нижньої межі обєкту приблизно 40 км. Вік джерела тепла - приблизно 1,5 млн. років. Через невеликий вік глибина нижньої межі обєкту зменьшується до 22-23 км. Обєм речовини, що вторглася, вважався таким: 50% нище 30 км та 25% — вище. Аномальна температура 4501500С. Верхній край джерела розташований приблизно на 10-11 км.

Нижня частина повинна мати більший вік - приблизно 5 млн. років та потужність і ширшину 60-70 км. Звичайно, тепловий потік не несе інформації про такий обєкт, тому має сенс використання сейсмологічних, геомагнітних та геоелектричних даних. Розраховані моделі сесмічного розрізу із врахуванням впливу молодої активізації добре узгоджуються з існуючими по профілям Вранча — Південно-Українська АЕС та Вранча — Чорнобиль, що розташовані неподалік. Фонові Vp на 50 км — 8,15, 100 км — 8,25, 150 км — 8,30 км/с, негативна швидкісна аномалія - до 0,4 км/с. Розрахунки показують можливість локальних землетрусів бальністю до 3-4 за рахунок термонапруг, що і спостерігається.

Виконані 5 ГМТЗ. Обробка показала наявність високопровідної зони на глибинах 70-120 км. Це добре співпадає із схемою, що прийнята в межах адвекціонно-поліморфної гіпотези. Перегріта речовина із мантії (200-400 км) піднімається в підкоровий простір (40-100 км). На її місце опускається холодний “астеноліт” відповідного обєма. Фонова Т на глибині вторгнення кванту тектонічної дії (КТД) від 550 до 9500С, аномальна температура — 8500С. Далі речовина проникає у кору та замінює частину її порід чим вище тим меньше. Інтрузія остигає, а кора прогрівається (аномальні Т від 300 до 5300С). Прогрів викликає плавлення порід. Стають можливі локальні інтрузії кислої магми на глибинні рівні над покрівлею верхнього поверху мантійних вторгнень. Кожна інтрузія може бути джерелом “конвективної дайки” у зоні глибинного розлому. Такі місця і фіксуються сучасними аномаліями ТП. Звичайна ширшина КТД 60-70 км.

Карта ТП Кіровоградської зони активізації показує, що головна (мерідіональна) Кіровоградська аномалія теплового потоку розташована на західнім краю КТД, на схід від неї зустрічаються ще прирозломні аномалії у смузі ширшиною коло 70 км. Вік глибинного корового джерела повинен бути досить малим, щоб забезпечити відсутність аномалій кондуктивної природи поза зонами розломів.

Фонова теплова модель розрахована на основі середнього сейсмічного розрізу регіону: на невеликій глибині — 6,1 км/с, на Мохо — 7,3 км/с. Потужність кори - 40 км. ТГ складала: на поверхні — 1,06 мкВт/м3, 10 км — 0,76 мкВт/м3, 20 км — 0,47 мкВт/м3, 30 км — 0,29 мкВт/м3, 40 км — 0,18 мкВт/м3. Розподіл Т: 10 км - 190, 20 - 310, 30 - 430, 40 - 530, 50 - 620, 60 - 710, 70 - 800, 80 - 880, 90 - 950, 100 - 1010, 110 - 1070, 120 - 11200C.

Аномальний коровий тепловий об`єкт, що забезпечує виконання вказаних вище умов, складається з трьох частин: найглибшої (40-30 км) віком 500 тис. років, середньої — 100 тис. років, верхньої локальної інтрузії (6-20 км) — 35 тис. років. Мантійний об`єкт розташований на глибинах приблизно 40-100 км має вік 5 млн. років.

Результативна теплова модель містить Т вище солідусу на глибинах приблизно 20-30 км, 53-83 км, не віключена можливість існування тонкого прошарку часткового плавлення на глибинах 35-38 км.

Глава 5. Комплексна геофізична модель кори та верхньої мантії регіона.

В районі досліджень розташована центральна частина Кіровоградської аномалії електропровідності в корі. За останніми даними аномальне тіло на 15-30 км простягається не меньше ніж на 700 км приблизно по мерідіану. Сумарна повздовжня електропровідність обєкту (S) — 10-20 тис. См, велічина п.е.о. () - 1 Омм. Це унікальне явище через свою інтенсивність — такої велічини S не досягає навіть океанічна астеносфера. Для пояснення цього явища сухим розплавом при кількох відсотках його вмісту потрібен шар потужністю приблизно 600 км.

Порівняння контурів аномалії ТП та зони електропровідності виявляє доволі різноманітну картину: в місцях добре вивченого ТП аномалія контролює західний край аномалії S. В районах із гіршою вивченістю аномалії ТП лише частково співпадають з аномалією S. Таким чином, кореляція у даних умовах задовільна. Вона стає більш наглядною при порівнянні провідника з тепловою моделлю кори та верхньої мантії.

Ситуація з п.е.о. в провіднику така: сухих зразків порід - 106-7 Омм, а води (вміст якої - приблизно 0,2%) — 1-2 Омм. При повній звязності досягається порід приблизно 1 тис. Омм. Графіт (що розповсюджений у гнейсах Інгуло-Інгулецької серії) також сильно знижує електричний опір: зразки із Криворізької надглибинної свердловини при природній вологості виявляють питомий опір на рівні 100 Омм. У нашому випадку повна звязність не досягається, але помітно зростає, що може зменшити опір до 0,5-1 Омм. При потужності обєкту 10-15 км отримаємо S приблизно 10-20 тис. См. Але потрібна вологість у середині кори, більша за звичайну. Її може забезпечити при досягненні солідусу біотиту, що складає значну частку обєму та має багато структурної води.

Розрахунки напружень, що викликані формуванням теплового поля, показали, що у кожній одиниці обєму перевищувалися напруження, що звачайно знімаються землетрусами із невеликою магнітудою. Звідси може зявитися трещинуватість. При переході біотиту через амфібол до піроксену (перехід амфібол-піроксен теж повязаний з виділенням води) щільність мінералу зростає приблизно на 3%, що повинно забезпечити схожій обєм пор. Таким чином, у середовищі зявляється n0,1-1% включень із низьким опором. П.е.о. середовища - приблизно n1-10 Омм.

Порівняння теплової та геоелектричної моделей регіону приводить до припущення, що верхня частина електропровідної зони спричинена, скоріше за все, окремими вторгненнями флюїду та розплаву у породи кори над головним осередком плавлення. Тільки деякі з них розташовані в умовах (у ослаблених проникних зонах, схожих на зону Кіровоградського розлому), коли можливий конвективний тепломасоперенос до поверхні. Саме їх і фіксують аномалії ТП помітної інтенсивності.

Цей результат непогано узгоджується з сейсмічними даними: інформацією глибинної сейсмології та ГСЗ. Перша представлена швидкісними моделями мантії Європи. Це суто регіональні моделі і дають тільки загальну уяву про можливість існування аномалій, що мають відношення до досліджуваного обєкту. У модельному розподілі швидкостей поперечних сейсмічних хвиль (Vs) на глибинах 200-400 км виділяється велика зона знижених швидкостей, що можливо повязана із резервуаром частково розплавлених порід. Саме його наявність робить можливою сучасну активізацію. Регіон, що вивчається, розташований у своєрідній “затоці” низьких величин Vs.

У регіоні є три геотраверси — IV, VI, VIII та профіль ГСЗ XXV. Інформація на них дуже різнопланова з багатьох причин, тому раціональніше розглянути середні значення сейсмічних швидкостей в межах аномальної частини теплової моделі кори та поза нею. Так побудовані дві залежності Vp від глибини. Результат такий: біля поверхні швидкості збігаються, а з глибиною різниця досягає приблизно 0,2-0,25 км/с та лишається такою до межі Мохо. Аналіз показав, що аномалія швидкості відповідає дуже низькому ступеню плавлення — приблизно 1%. При такий кількості розплаву (і, відповідно, флюїду) неможливо досягти потрібної величини S, потрібен також і вплив графіту на електропровідність.

Ще один елемент швидкісних розрізів кори, що може допомогти сформувати обгрунтовану уяву про характер глибинного процесу (тип ендогенного режиму) в активізованому регіоні - зміна потужності земної кори у межах аномалії електропровідності (яка більш повно вимальовує активізовану корову смугу, ніж аномалії ТП) та біля неї. Під аномалією потужність кори зменшена, а безпосередньо біля аномалії - збільшена. Середні величини на всіх профілях ГСЗ відповідно складають: 382 та 496 км, ще далі від аномалії - 422 км (що відповідає середній потужностй кори УЩ).

Таким чином, встановлені дві аномалії потужності кори різного знаку, що просторово повязані із активним глибиним процесом. Їх розташування пояснюється схемою адвекційного процесу, в якому зустрічні рухи речовини проходять поруч. Перегрів та часткове плавлення нижньої частини кори призводять до приєднання частини її речовини до руху мантійної, в центрі скорочується потужність кори, на періферії вона зростає, бо сюди перенесено змішаний матеріал, який не занурюється у мантію (має недостатню щільність). Тому скорочення та зростання потужності повинні бути схожими, що приблизно і спостерігається. Відповідають прогнозу і швидкості сейсмічних хвиль у нижніх частинах потужної кори: вони значно вищі за типові, характерізують шар коро-мантійної суміші, а не звичайну речовину низу кори УЩ.

У регіоні, що вивчається, активний процес виявлено тільки за даними глибинної геофізики, але ніяких проявів геологічної активності не спостерігається (крім деяких даних про аномалії ізотопії гелію). У місцях, де раніше досліджувалися схожі геофізичні аномалії, наявні помітні підняття поверхні за останні 5 млн. років. У Кіровоградській зоні таке підняття відсутнє. Процес без підняття можливий, але для обгрунтування такого варіанту потрібна спеціальна аргументація.

Спробуємо оцінити результати дії процесів, що здіймають та опускають поверхню Землі. Шар речовини, що перегрівся, потужністю у 100 км, дає підняття приблизно на 1-210-5 0С-1, що дорівнює 350-700 м. Реальний ефект буде помітно меньше через те, що вирішувалася одновимірна задача, та беручи до уваги велику глибину джерел процесу.

Зменшення потужності кори зони повинно призвести до ізостатичного опускання поверхні у тому же розмірі - приблизно 600 м. Таким чином, можлива повна компенсація, змін рівня поверхні під час ходу процесу може не бути.

Інша ситуація на періферії активної зони: температури у надрах цих районів вже близьки до фонових, а потужність кори помітно більше. Розмір підняття - перші сотні метрів, але їх важко визначити через більш швидкі негативні рухи поверхні на періферії Чорноморської западини або через недостатню вивченність сучасних рухів теріторій УЩ. Деяки ознаки сучасного підняття все ж встановлені (переважно на східній періферії зони).

За геофізичними ознаками Кіровоградську зону активізації легше за все ототожнити з районом початкового ріфтогенезу. Її можна розглядати як “затоку” Трансєвропейської зони. Але використовувати по відношенню до першої повний набір геофізичних аргументів не вдається: для регіональної аномалії швидкості поперечних сейсмічних хвиль регіон занадто малий, а вивчення геоелектричної астеносфери ще не закінчено.

Для підтвердження гіпотези можна зробити порівняння потужності кори зони та її оточення з корою найблищого загальновизаного рифтогена - Дніпровсько-Донецької западини. Різниця у верхній частині розрізу безперечна. У ДДЗ приблизно 9 км (в середньому) верхньої кори являє собою осадовий шар, що повністю відсутній на щиті у Кіровоградській зоні. Але не всі сучасні рифти мають цей шар, а розподіл потужностей кори у ДДЗ на диво схожий з наведеним вище для Кіровоградської зони: 372,5, 472,5 та 422 км. Виходячи з потужності кори за межами смуги змін, можна припустити, що обидві структури розвивалися на первинній корі однієї потужності, що помітно не відрізняється від середньої на УЩ.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

1.Створено та застосовано на значній теріторії методику розрахунків ТП за даними вимірів забійних Т у неглибоких свердловинах та корекції цих ТП, що дало змогу у десятки разів збільшити щільність мережі спостережень, визначити досі невідомі елементи структури теплового поля УЩ.

2.Визначена та проінтерпретована Кіровоградська аномалія ТП, побудована теплова модель кори та верхніх горізонтів мантії.

3.Проведено кількісне порівняння параметрів теплової моделі с усіма даними глибинної геофізики, доведена їх взаємна відповідність.

4.Сформульована гіпотеза про характер ендогенного режиму Кіровоградської зони активізації як початкової стадії тектоно-магматичного процесу.

Природньо, що це не кінець досліджень Кіровоградської зони, і для контролю висунутої гіпотези необхідно ще провести: глибинні сейсмологічні дослідження по профилях з приблизним напрямком Вранча-Маріуполь та Вранча-Черкаси; глибинні геоелектричні дослідження, що дозволили б виявити електропровідні зони у мантії; вивчення ізотопії гелію, що доповнить результати попередніх робіт; дослідження сучасних рухів поверхні Землі (детальніше, ніж у минулому) та мікросейсм; розширення (перш за все - на захід) району детальних досліджень ТП, продовження удосконалення методик розрахунку глибинних значень та інтерпретації аномалій ТП, що дозволить наблизитися до оцінки реальних величин термопружніх напруг та напруг іншої природи, до розуміння ступеня сейсмічної небезпеки в регіоні.

ОСНОВНІ МАТЕРІАЛИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У РОБОТАХ:

1.Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Завгородняя О.В. и др. Тепловой поток северо-западного Причерноморья //Докл. АНУ, 1993. - 3. - С.109-112.

2.Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Завгородняя О.В. Новые определения теплового потока на юге Украини и Черноморско-Азовском шельфе // Докл. АНУ,1993.- 5. - С.105-108.

3.Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Завгородняя О.В. Тепловой поток Керченского полуострова // Докл. АНУ, 1993. - 7. - С.85-88.

4.Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Завгородняя О.В. Тепловые модели зон киммерийской и современной активизации // Докл. НАНУ,1994. - 2. - С.106-110.

5.Бурахович Т.К., Гордиенко В.В., Гордиенко И.В. и др. Тепловой поток Закарпатья // Докл. НАНУ, 1995. - 10. - С.85-88.

6.Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Завгородняя О.В. и др. Тепловое поле Молдовы // Геофиз. журнал, 1995. - 5. - С.3-10.

7.Гордиенко В.В., Гордиенко И.В., Завгородняя О.В. Тепловое