Національна академія наук України

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ім. С.І. СУББОТІНА

СТОВБА Сергій Миколайович

УДК 551.24

ГЕОДИНАМІЧНА ЕВОЛЮЦІЯ

ДНіПРОВСьКО-ДОНЕЦьКОї ЗАПАДИНИ та ДОНБАСУ

Спеціальність 04.00.22 - геофізика

Автореферат

на здобуття наукового ступеня

доктора геологічних наук

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Науково-дослідному інституті нафтогазової промисловості НАК “Нафтогаз України” (ДП “Науканафтогаз”)

Науковий консультант: - доктор фізико-математичних наук, професор,

академік НАН України Старостенко Віталій

Іванович, Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна

НАН України, директор

Офіційні опоненти:

- доктор геолого-мінералогічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України Лукін Олександр

Юхимович, Чернігівське відділення Українського

державного геологорозвідувального інституту, директор

- доктор геолого-мінералогічних наук, ст. науковий

співробітник Гінтов Олег Борисович, Інститут геофізики

ім. С.І. Субботіна НАН України, головний науковий

співробітник

- доктор геолого-мінералогічних наук, професор

Нікішин Анатолій Михайлович, Московський державний

університет ім. М.В. Ломоносова, геологічний факультет,

завідувач кафедрою регіональної геології та історії Землі,

Росія, м. Москва

Захист відбудеться 8 лютого 2008 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою: 03680 Київ-142, проспект Палладіна, 32; тел. (+38044) 424 23 40; факс: (+38044) 450 25 20; е-mail:

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геофізики

ім. С.І. Субботіна НАН України

Автореферат розісланий “ 29” грудня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор геологічних наук М.І. Орлюк

Актуальність теми. Дніпровсько-Донецька западина (ДДЗ) і Донбас є унікальними структурами як з точки зору геологічної будови й еволюції, так і наявності в їхніх надрах значних скупчень горючих корисних копалин. За час геолого-геофізичного вивчення цих геологічних структур нагромаджено колосальний обсяг відомостей і матеріалів з стратиграфії, тектоніки, палеогеографії й магматизму. Інтеграція існуючих даних та їх комплексний аналіз дозволили досягти істотного прогресу у вивченні особливостей геологічної будови регіону, просторових і хронологічних закономірностей розташування локальних структурних форм в його межах. Це привело до створення геодинамічних моделей регіонального та локального рівнів, які на перший погляд задовільно пояснюють особливості формування ДДЗ і Донбасу в цілому, а також окремих структурно-тектонічних зон та локальних структур. Незважаючи на істотний прогрес, у міру надходження нового геолого-геофізичного матеріалу по верхній частині осадового розрізу (до глибин 5-6 км) та у зв'язку з відсутністю надійних фактичних даних про будову глибоких горизонтів осадового чохла й кристалічної кори між існуючими геодинамічними моделями появились суттєві протиріччя. Ряд моделей взаємно виключають одна одну і не в змозі пояснити як деякі загальні, так і багато окремих особливостей будови й еволюції регіону, встановити об’єктивні причини та характер тектонічних рухів земної кори, зумовлених ними деформацій гірських порід. Ці обставини негативно позначаються на спробах створення узагальнюючих геодинамічних моделей Східно-Європейської платформи й європейського континенту в цілому. Існуючі моделі не можуть, як раніше, бути надійною основою й для вирішення задач, що виникають в процесі геологорозвідувальних робіт на сучасному етапі, у тому числі на нафту та газ. Дослідження, спрямовані на реконструкцію геодинамічної еволюції ДДЗ і Донбасу на основі комплексної інтерпретації нових та існуючих матеріалів із застосуванням сучасних методів вивчення осадових басейнів, є таким чином, надзвичайно актуальними в науковому і практичному відношенні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Науково-дослідному інституті нафтогазової промисловості НАК “Нафтогаз України” (ДП “Науканафтогаз”) і базується на результатах, отриманих автором протягом останніх двадцяти років у якості відповідальнго виконавця десяти держбюджетних геолого-тематичних робіт у ДГП “Укргеофізика” (номери державної реєстрації 39-86-19/19, 39-87-4/22, 39-87-4/23, 39-91-82/2, У-94-62/2; У-96-56/1, I-96-56/I3, У-00-121/1, У-98-124/23, У-01-274/24), керівника двох науково-дослідних робіт у відділенні “Інформаційно-аналітичний центр” ДП “Науканафтогаз” (номери державної реєстрації У-04-167/1 й У-04-167/6). Робота безпосередньо пов'язана з тематикою міжнародного наукового співробітництва в рамках програм “EUROPROBE” (Європейський науковий фонд; проект “GEORIFT”) і “Peri-Tethys” (Міжнародний консорціум), міжнародних проектів “Порівняльна еволюція рифтових басейнів Перитетису; проект IGCP - No. 369” (ЮНЕСКО), “Зображення земної кори й верхньої мантії; проект IGCP - No. 474” (ЮНЕСКО), “Геологічна анатомія Середземноморського регіону: траверси Міжнародного консорціуму” (Середземноморський консорціум GEOMED для підготовки 32-го МГК), “DOBRE” (Міжнародний консорціум для геолого-геофізичного вивчення Донбасу), “Еволюція басейнів Ближнього Сходу (MEBE)” (Міжнародний консорціум наукових і виробничих організацій). Робота виконувалася також у рамках трьох міжнародних наукових проектів програми INTAS: “Геодинаміка пізньопалеозойських рифтових басейнів Східно-Європейської платформи: Білорусь, Україна й Росія (проект - 93-3346)”, “Соляна тектоніка Прип’ятсько-Дніпровсько-Донецького басейну (Білорусь та Україна; проект - 96-1701)”, “Взаємовідносини між доюрським континентальним рифтогенезом і задуговим розтягненням південної окраїни Східно-Європейського кратону (проект - 97-0743)”.

Мета і завдання дослідження.

Головна мета дослідження: створення моделі глибинної будови та реконструкція геодинамічної еволюції ДДЗ та Донбасу, їх окремих структурно-тектонічних зон і локальних структур на базі теоретичних узагальнень наявного геолого-геофізичного матеріалу, інтерпретації нових даних регіональних сейсмічних досліджень та одномірного й двовимірного числового моделювання осадових басейнів.

Об'єкт дослідження: ДДЗ, Донбас і суміжні тектонічні елементи Східно-Європейської платформи (СЄП).

Предмет дослідження: геологічна будова й тектонічна еволюція ДДЗ і Донбасу, а також глибинні процеси в літосфері СЄП та її окраїн, які привели до зародження й подальшого формування ДДЗ, Донбасу й суміжних з ними тектонічних елементів.

Основні завдання дослідження: 1) уточнити тектоніку палеозойських відкладів ДДЗ та Донбасу; 2) висвітлити внутрішню будову консолідованої земної кори й розділу Мохо (М) складчастої споруди Донбасу і суміжних з ним Приазовського масиву (ПМ) і південного схилу Воронезького масиву (ВМ); 3) реконструювати послідовність головних геодинамічних подій і процесів, що зумовили формування ДДЗ та Донбасу в пізньому палеозої; 4) розрахувати основні параметри деформацій літосфери під час головних етапів формування регіону й визначити механізми, що обумовили його формування як єдиної геоструктури протягом девону й карбону; 5) розробити геодинамічну модель формування Донецької складчастої споруди; 6) визначити ініціюючі й рушійні механізми соляного тектогенезу й уточнити закономірності формування солянокупольних структур і соляних діапірів ДДЗ; 7) визначити взаємозв'язок тектонічних процесів у ДДЗ та Донбасі з геодинамічними процесами, що викликали дестабілізацію СЄП у пізньому палеозої.

Методи дослідження: сейсмічні методи МВХ-СГТ і ГСЗ; сейсмостратиграфія; комп'ютерне моделювання осадових басейнів; структурний аналіз; аналіз перерв і неузгоджень; метод порівняльної тектоніки (метод аналогій); палеотектонічні реконструкції; метод збалансованих розрізів; реконструкція полів палеонапруг за даними про крихкі деформації в гірських породах.

Наукова новизна одержаних результатів.

Нові дані доводять раніше спірне положення про те, що ДДЗ та Донбас протягом пізнього палеозою являли собою єдину геологічну структуру, яка формувалася під дією одних і тих же геодинамічних процесів.

Істотно деталізована тектонічна будова ДДЗ та Донбасу та доведена відсутність пізньопротерозойського (рифейського) грабену в основі осадового розрізу цих геоструктур. При цьому обґрунтовано, що на глибинах, де раніше передбачалася наявність рифейських та (або) нижньопалеозойських порід, залягають кам'яновугільні та девонські відклади.

Суттєво уточнені особливості пізньодевонського рифтогенезу в регіоні, зокрема вперше показано, що рифтові процеси в ДДЗ відбувалися на значно більшій території, ніж уявлялося раніше.

Обґрунтовано, що процес пострифтового занурення ДДЗ та Донбасу почався в турнейському віці, та вперше отримані переконливі дані про розподіл потужності й глибину залягання кам'яновугільних комплексів у глибоко занурених частинах ДДЗ і Донбасу.

Вперше виділені й охарактеризовані три відносно короткотривалі фази пострифтового розтягу земної кори в ДДЗ і Донбасі (на початку пізнього візе, у середині серпухівського віку й на рубежі карбону та пермі), а також однієї фази стиску (на рубежі мезозою й кайнозою). При цьому вперше доведений істотний вплив цих фаз на особливості формування осадового чохла й структурного плану всієї території досліджень.

Вперше обґрунтовано, що ранньопермський високоамплітудний підйом Донбасу, частини ДДЗ та Українського щита (УЩ), який призвів до утворення видовженого склепіння з сумарною амплітудою близько 10 км, був, імовірно, викликаний потовщенням земної кори в результаті її магматичного нарощування знизу внаслідок глибинних процесів на півдні СЄП, а не процесами стиску літосфери та складчастістю.

Вперше обґрунтовано, що головними фазами горизонтального стиску, які викликали формування складчастого Донбасу, були кімерійська (кінець тріасу - початок юри) і альпійська (кінець крейди - початок палеогену), а не герцинська (перм), як вважалося раніше. Вперше показано, що в результаті горизонтального стиску на 10 -12 км у Донбасі сформувався великий клиноподібний блок, вичавлений вгору між двома великими коровими насувами, один із яких пронизує всю кору, включаючи розділ М.

Одержали подальший розвиток уявлення про ініціюючі й рушійні сили соляного тектогенезу в ДДЗ. Зокрема, доведено, що фази перетікання девонської солі на пострифтовому етапі ініціювалися тектонічними подіями розтягу і стиску земної кори. При цьому тривалість фаз галокінезу була більшою, ніж фаз тектонічної активності. Гравітаційні сили, обумовлені щільнісною інверсією на границі солі та її перекриття, ерозія, диференціальне навантаження і зменшення міцності перекриваючого сіль комплексу вторинними розривами відігравали визначальну роль рушійних механізмів галокінезу, після того як тектонічні сили ініціювали перетікання солі. Уперше з'ясовано, що крутозалягаючі блоки осадових порід поблизу соляних штоків формувалися як внаслідок вигину шарів та ерозії склепіння солянокупольного підняття в процесі його росту, так і в результаті їх підйому з великих глибин під час діапіризму.

Уперше визначені основні кількісні параметри деформації літосфери під час головних етапів формування регіону. Встановлено, що особливості формування північно-західної частини ДДЗ пояснюються в рамках тектонічних процесів, які характерні для більшості внутрішньократонних рифтів. Уперше показано, що формування аномально великої потужності кам'яновугільних відкладів на південному сході ДДЗ викликано спільною дією чотирьох геологічних процесів: пострифтового термічного занурення земної кори, вичавлювання девонської солі з материнського шару під час соляного діапіризму, регіонального занурення всієї СЄП та охолодження мантійного діапіру, який проник в земну кору під час рифтогенезу.

Розроблена нова модель геодинаміки південної окраїни СЄП у контексті загальної еволюції європейського континенту. Згідно з моделлю, з пізнього девону й до кінця тріасу в південній частині СЄП і на її окраїнах домінував тектонічний режим або простого розтягу, або розтягу зі зсувом (з сувною компонентою). Пізньопалеозойський рифтогенез і пов'язаний з ним магматизм проявилися як у внутрішніх частинах СЄП, так й у межах Скіфської плити (СП), що була причленована до СЄП у пізньому протерозої - самому початку палеозою, а з раннього палеозою вже являла собою південну пасивну окраїну платформи.

Отримані нові матеріали, що підтверджують концепцію “активного” рифтогенезу українських вчених, згідно з якою утворення ДДЗ і Донбасу відбувалось під впливом мантійного діапіризму. Широке поширення “активного” рифтогенезу в межах СЄП уперше пояснюється дією не одного ізольованого плюму, а сукупністі (кластером) термічних нестабільностей в підошві літосфери. Уперше обґрунтовано, що задуговий розтяг під дією гіпотетичного конвергентно-субдукційного поясу на півдні європейського континенту не може розглядатися як ініціюючий механізм “пасивного” рифтогенезу на СЄП.

Набули подальшого розвитку положення про те, що Дніпровсько-Донецький авлакоген (ДДА) і Прикаспійський басейн (ПБ) можуть становити два плеча потрійного зчленування рифтів. Це зчленування було місцем континентального розпаду в пізньому девоні. Показано, що третє (південне) плече потрійного зчленування трасується уздовж лінії раптової зміни будови земної кори СП у напрямку Великого Кавказу. Зроблено висновок про невелику ймовірність того, що ДДА являє собою частину протяжної внутрішньоконтинентальної рифтової системи, яка перетинає Каспійське море й простягається в західну Азію.

Вперше обґрунтовано, що високоамплітудний підйом у пермі всієї південної частини СЄП, включаючи Донбас і південну частину ДДЗ, був обумовлений косо орієнтованою субдукцією океанічної кори Палеотетісу під СЄП-СП із наступним збільшенням крутизни і відривом субдукуючої плити (слеба).

Теоретичне та практичне значення результатів. Отримані результати дають можливість переглянути усталені уявлення про історію формування великих тектонічних елементів СЄП і СП, локальних структур ДДЗ, Донбасу, і запропонувати істотно видозмінене трактування причин їх утворення. Результати досліджень мають значення для побудови нового покоління тектонічних карт України і Європи. Хоча запропонована геодинамічна модель не вирішує всіх проблемних питань еволюції півдня європейського континенту, у тому числі й ДДА, вона може розглядатися як основа для проведення додаткових досліджень. Наведені в дисертації відомості широко використовуються при геодинамічних дослідженнях європейського континенту і його окраїн, що знайшло віддзеркалення в посиланнях на роботи автора в численних публікаціях українських і закордонних фахівців. Розроблена модель формування внутрішньоконтинентальних складчастих споруд на прикладі Донбасу вже застосовується для пояснення інверсії інших осадових басейнів і може вплинути на загальну теорію утворення складчастих споруд. Значний прогрес у розумінні соляної тектоніки ДДЗ є важливим для створення цілісної геодинамічної моделі еволюції регіону, а також для визначення ініціюючих і рушійних механізмів переміщення соляних мас в інших осадових басейнах світу. Нові матеріали про будову й еволюцію ДДЗ, Донбасу й південної окраїни СЄП, а також запропоновані автором моделі галокінезу в регіоні мають не тільки наукове, але й прикладне значення як одна із складових теоретичної основи стратегії подальших пошуків вуглеводнів й оцінки ресурсів нафти й газу в осадових басейнах України. Конкретні рекомендації, спрямовані на проведення регіональних і пошукових сейсмічних і бурових робіт, геолого-тематичних і наукових досліджень щодо вивчення перспектив нафтогазоносності окремих структурно-тектонічних зон і локальних об'єктів ДДЗ, Донбасу й Чорного моря, викладені автором у публікаціях і звітах за результатами геолого-тематичних і науково-дослідних робіт. Значна частина рекомендацій успішно використовується в практиці геологорозвідувальних робіт.

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові результати й висновки, викладені в дисертації та винесені на захист, отримані автором самостійно. Інтерпретація даних регіональних сейсмічних досліджень у ДД3 виконувалася співробітниками тематичної партії 113 ДГП “Укргеофізика” під керівництвом і при особистій участі автора. Узагальнення результатів цієї інтерпретації виконано автором самостійно за участю співвиконавців у обговоренні дискусійних питань. Автор є одним з ініціаторів і провідних виконавців міжнародного проекту “DOBRE”, спрямованого на вивчення глибинної будови й еволюції Донбасу різними геолого-геофізичними методами. Інтерпретація сейсмічних даних по регіональному профілю МВХ-СГТ DOBRE виконана автором дисертації за участю фахівців ДГП “Укргеофізика”, “GeoForschungsZentrum” (Потсдам, Німеччина) і Вільного університету м. Амстердам. Числове моделювання тектонічної еволюції регіону й соляного тектогенезу ДДЗ, а також дослідження з геодинаміки півдня європейського континенту проводилися автором у тісному співробітництві з фахівцями Вільного університету м. Амстердам, Ліверпульського університету, Інституту геофізики НАН України, інституту “ETH” (м. Цюріх), ДГП “Укргеофізика”. Особистий внесок у наукові праці, які написані в співавторстві, є наступним. У роботах [3, 11-14, 16, 21, 45-50] авторові належить ідея, постановка задачі, шляхи її розв’язання, більша частина інтерпретації даних і підготовка висновків. У роботах [4, 6, 7, 15, 17-20, 22-24, 28, 32-37, 39, 40, 42-44, 51-54] автор приймав безпосередню участь у постановці задач, зборі й інтерпретації геолого-геофізичних та модельних даних, підготовці висновків. У роботах [1, 2, 5, 25-27, 29-31, 38, 41] автор приймав участь у постановці задачі, зборі й аналізі матеріалів, підготовці висновків.

Фактичний матеріал. Робота базується на інтерпретації й узагальненні матеріалів регіональних сейсмічних робіт МВХ-СГТ, проведених ДГП “Укргеофізика” в 1985 - 2001 рр. по мережі профілів загальною довжиною більше 4000 км. При проведенні досліджень використані розрізи близько 300 глибоких свердловин, дані пошукових сейсмічних робіт у різних частинах ДДЗ і регіональних сейсмічних робіт у Чорному морі, а також геологічні матеріали польових досліджень, проведених у Донбасі за міжнародним проектом “DOBRE” в 1999-2001 рр.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційних досліджень доповідалися й обговорювалися на більш ніж 50 міжнародних і вітчизняних конференціях, симпозіумах, конгресах і семінарах, у тому числі: на конференціях “Нафта і газ України” (1994, 1996, 1998, 2000, 2002); 31-му й 32-му Міжнародних геологічних конгресах (2000, 2004); конференціях Європейського союзу наук про Землю EUG й EGU (1997, 2001, 2005, 2006), Європейської геофізичної спільноти EGS (2000, 2001, 2002, 2003, 2004), Європейської асоціації вчених-геологів й інженерів EAGE (1996, 1998, 1999, 2000, 2002); семінарах і конференціях по програмі EUROPROBE (1992-2001) і багатьох інших.

Публікації. По темі дисертації опубліковано більше 120 робіт у вітчизняних і закордонних виданнях, у тому числі 51 стаття у спеціалізованих наукових журналах і книгах, 14 статей у матеріалах конференцій, 1 препринт, більше 60 тез вітчизняних і міжнародних конференцій. В авторефераті наведено список 54-х основних робіт.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків і списку літератури з 682 найменувань. Обсяг дисертації становить 495 сторінок, з них 303 сторінки основного тексту, 111 малюнків, 2 таблиці.

Автор висловлює особливу вдячність д-ру Р. Стифенсону й академіку НАН України В.І. Старостенку за багаторічну активну підтримку й плідне співробітництво в рамках декількох міжнародних проектів. Автор висловлює щиру подяку член-кор. НАН України Д.О. Єгеру, М.Г. Єгурновій, В.І. Горбунову, В.К. Забєльській, І.А. Пилипчуку, І.В. Попадюку, Т.М. Пригаріній, Л.В. Смекаліній, Т.А. Сович, М.С. Побєдаш, А.П. Толкунову, О.І. Хрящевській, всім співробітникам тематичної партії 113 ДГП “Укргеофізика” та Інформаційно-аналітичного центру ДП “Науканафтогаз” за велику допомогу в процесі підготовки дисертації. Із вдячністю й великою теплотою автор згадує спільну роботу та дискусії з М.І. Буцевою, М.І. Бородуліним, Г.І. Вакарчуком, В.К. Гавришем, Є.С. Дворянином, Г.Д. Забелло, М.Я. Зайковським, О.М. Істоміним, Б.П. Кабишевим, М.К. Ківшиком, М.П. Лисенком, М.Г. Манютою, А.Ф. Ревою, Є.І. Паталахою, О.П. Самойлюком, Ю.В. Тімошиним, М.Т. Турчаненком, А.В. Чекуновим, О.Л. Яншиним.

ОГЛЯД УЯВЛЕНЬ ПРО ТЕКТОНІКУ Й ГЕОДИНАМіЧну ЕВОЛЮЦІю РЕГІОНУ

У розділі висвітлена історія розвитку поглядів на геодинамічну еволюцію ДДЗ і Донбасу, та стан вивченості тектоніки й геологічної історії цих територій. Акцентовані проблемні питання, вирішенню яких автор приділив багато уваги в процесі досліджень. Огляд існуючих уявлень ґрунтується на аналізі публікацій В.І. Антипова, Ю.О. Арсирія, О.Д Архангельського, О.О. Богданова, М.І. Бородуліна, Г.І. Вакарчука, М. Вільсон, Ю.О. Воложа, І.В. Височанського, В.К. Гавриша, Р.Г. Гарецького, М.Є. Герасимова, В.В. Гордієнко, О.Я. Дубинського, Т.П. Єгорової, П. Зіглера, Л.П. Зоненшайна, Т.В. Ільченко, О.М. Істоміна, Б.П. Кабишева, В.І. Кітика, Р.І. Кутаса, М.Л. Левенштейна, Л.І. Лобковського, О.Ю.Лукіна, З.М. Ляшкевич, М.Г. Манюти, Є.Є.Мілановського, А.М. Нікішина, Н.П. Павленкової, Н.Т. Пашової, В.С. Попова, В.О Разніцина, В.А. Редколіса, І.С. Рослого, О.П. Самойлюка, К.О. Соборнова, В.Б. Соллогуба, М.Т. Турчаненка, В.Ю. Хаїна, П.С. Хохлова, А.В. Чекунова, М.В. Чірвінської, М.С. Шатського, П.Ф. Шпака, В.В. Юдіна та багатьох інших геологів і геофізиків.

Виходячи з аналізу публікацій, у вивченні особливостей геологічної будови й геодинаміки ДДЗ і Донбасу досягнуто величезного прогресу завдяки зусиллям багатьох поколінь геологів і геофізиків. Проте, дотепер відсутня єдина точка зору на еволюцію регіону з пізнього протерозою до кайнозою. Тому не дивно, що існує цілий ряд геодинамічних моделей, які часто взаємно виключають одна одну. Кожна з них має свої сильні й слабкі сторони та базується на певному фактичному матеріалі й різних підходах до його інтерпретації.

Верхня частина осадового розрізу ДДЗ і Донбасу вивчена досить детально. Однак, через відсутність деяких надійних геолого-геофізичних даних ряд принципових питань структури й еволюції регіону не було вирішено. До середини 80-х років минулого століття особливо гостро це стосувалося даних про будову глибоко занурених частин ДДЗ. До початку цього століття були відсутні надійні дані не тільки про будову глибоких горизонтів осадового чохла, але й кристалічної кори Донбасу. З цієї причини появились альтернативні погляди на існування рифейського (рифей-ранньопалеозойського) грабена, тривалість й особливості рифтової і пострифтової стадій розвитку ДДЗ і Донбасу в пізньому палеозої, будову перехідної зони між ними, характер зчленування Донбасу з оточуючими докембрійськими тектонічними структурами. Багато дискусійного залишалось в проблемі ролі вертикальних і горизонтальних тектонічних сил у формуванні регіону, його складових частин і локальних структур. Невирішеними залишаються питання визначення абсолютного часу й природи тектонічних подій, що призвели до високоамплітудного підйому й глибокої ерозії Донбасу, південної прибортової зони ДДЗ та її бортів, а також до формування протяжних лінійних складок, підкидів і насувів у межах ДСС. Відсутня єдина думка про кількість та природу фаз пострифтової тектонічної активності, їх масштаб й інтенсивність, особливості прояву й тривалість, а також вплив на формування структурного плану. Деякі фази тектонічної активності або взагалі не виділяються, або трактуються контраверсійно. Існують подеколи діаметрально протилежні погляди на історію й механізми росту солянокупольних і безсольових структур, у тому числі на час і циклічність їхнього формування, співвідношення конседиментаційної та постседиментаційної складової росту, характер тектонічних й атектонічних процесів, які зумовили формування цих структур.

Проблема геологічної природи ДДЗ і Донбасу була предметом наукових дебатів між провідними геологами на протязі десятків років. Для створення сучасних геодинамічних моделей результати цих дебатів не втратили своєї актуальністі і сьогодні. Розвиваючи погляди А.П. Карпінського, більшість дослідників розглядають ДДЗ і Донбас як частини видовженої внутрішньоконтинентальної рифтової системи, що включає в себе Прип'ятський прогин і вал Карпінського. Існують погляди, що ця система простягається далі через Каспійське море в межі Мангишлаксько-Устюртської зони, а можливо й ще далі через Південно-Ембенське підняття до Уралу, або далеко на південний схід у Середню Азію й навіть у Китай. Не менше питань виникає при вивченні можливого впливу на еволюцію та періодичну активізацію тектонічних рухів у ДДЗ і Донбасі геодинамічних процесів, що мали місце у межах і на краях СЄП. Навіть якщо припустити, що всі тектонічні події в ДДЗ можна пояснити дією активного довгий час мантійного (астеносферного) діапіру, то залишається проблема пояснення причин багаторазової активізації глибинного діапіризму взагалі й приуроченості таких активізацій саме до певних відрізків часу. Це один з основних недоліків геодинамічних моделей, побудованих на ідеї астеносферного (мантійного) діапіризму. Друге слабке місце цих моделей полягає в тому, що діапір, що викликав формування рифта, мав би залишатись активним на тому самому місці протягом сотень мільйонів років. Таким чином, у деяких моделях ДДЗ і Донбас протягом практично всього часу їхнього існування розвивалися автономно в тілі СЄП, безвідносно до геодинамічних процесів в сусідніх районах. Багатьма авторами визнається й підкреслюється зв'язок між тектонічними подіями в ДДЗ, Донбасі зі зміною напруженого стану СЄП та впливом суміжних із платформою активних покривно-складчастих областей. Незважаючи на окремі спроби, еволюція ДДА як складової частини більш складної геодинамічної системи до середини 90-х років не піддавалася детальному аналізу. Виключенням є узагальнююча робота, що виконана з позицій тектоніки плит Л.П. Зоненшайном й іншими в 1990 р., де ДДА розглядається як відмерле відгалуження тричленного зчленування пізньодевоньскої рифтової системи. На основі комплексної інтерпретації колосального обсягу матеріалів, із середини 90-х років минулого століття під керівництвом А.М. Нікішина уперше створюється цілісна геодинамічна модель еволюції СЄП і суміжних регіонів з позицій сучасної геодинаміки. Разом з тим у цій моделі залишається багато дискусійних моментів.

Таким чином, як показує аналіз опублікованої літератури, в геології й тектоніці ДДЗ і Донбасу існує велика кількість спірних питань. Для створення більш достовірної геодинамічної моделі регіону необхідним є вирішення цілої низки питань. За останні 20 років накопичено додатковий геолого-геофізичний матеріал, у тому числі дані регіональних сейсмічних досліджень МВХ-СГТ. Аналіз й узагальнення цього нового матеріалу із застосуванням сучасних методів вивчення осадових басейнів дозволяє досягти істотного прогресу в розв’язанні фундаментальних проблем геодинаміки регіону.

ОСНОВНІ НАПРЯМКИ Й МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

В основу виконаних автором досліджень широкого кола проблемних питань геологічної історії й геодинаміки ДДЗ лягли матеріали сейсмічних робіт по відпрацьованих ДГП “Укргеофізика” 25 регіональних профілях (РП) МВХ-СГТ загальною довжиною близько 4000 км (включаючи профіль DOBRE). Інтерпретація цих нових матеріалів здійснювалася на основі сейсмостратиграфічного аналізу в комплексі з даними глибокого буріння, ГДС, КМЗХ, ГСЗ, гравірозвідки й пошукових сейсмічних робіт. У процесі комплексного узагальнення результатів інтерпретації складені схеми будови поверхні дорифтових (підсольових) девонських відкладів і потужності осадових комплексів карбону, проведено аналіз палеотектонічних і палеогеографічних особливостей занурення басейну в часі, виконано аналіз неузгоджень і внутрішньої будови сейсмічних комплексів.

Основні дослідження за проектом “DOBRE” включали виконання сейсмічних спостережень ГСЗ і МВХ-СГТ на профілі, що перетинає з півдня на північ Приазовський масив, складчастий Донбас і південний схил Воронезського масиву. Одночасно проведено широкий комплекс досліджень з структурної геології, реконструкції палеонапруг, геохімії вивержених порід і визначенню їх віку, стратиграфичної кореляції осадових товщ та вивчення умов їх нагромадження.

У дослідженнях методом ГСЗ автор брав участь на етапах обґрунтування й проектування робіт, аналізу швидкісних моделей, спільної інтерпретації даних МВХ-СГТ і ГСЗ. Методика польових спостережень МВХ-СГТ на профілі DOBRE була обрана з урахуванням досвіду регіональних сейсмічних досліджень в Україні й інших країнах. Для реконструкції полів палеонапруг було виконано 3500 вимірювань мікротектоніки на 135 відслоненнях гірських порід, що дозволило реконструювати тектонофізичні напруження на 123 локальних ділянках. Реконструйовані режими локальних напруг були використані для реконструкції регіональних полів тектонофізичних палеонапруг, під дією яких у породах Донбасу відбувалися крихкі деформації. При польових роботах на відслоненнях проведені дослідження з уточнення тектонічної будови Донбасу методами структурної геології. У межах Південного Донбасу й СП були відібрані зразки вивержених порід і проведено визначення їхнього віку аргон-аргоновим (40Ar/39Ar) методом з метою визначення й порівняння періодів магматичної активності в цих регіонах.

Комп'ютерне моделювання осадового басейну проводилося в рамках декількох міжнародних проектів. За даними 66 вертикальних стратиграфічних розрізів, рівномірно розподілених по території западини, розраховані амплітуди тектонічного занурення ДДЗ у часі за допомогою методики “бекстріппінгу”. На основі моделі Мак Кензі виконано пряме моделювання теоретичних кривих тектонічного занурення, які найкращим чином усереднюють дані бекстріппінгу для 66 стратиграфічних розрізів. За результатами моделювання визначені кількісні параметри деформації літосфери під час фаз розтягу та дано оцінку відносного внеску цих фаз у еволюцію басейну. За допомогою способу, розробленого автором та В.Ю. Шимановським, за даними 55 стратиграфічних розрізів розраховані потужності відкладів, еродованих у межах південної крайової й бортової зон ДДЗ під час пермського підйому.

За допомогою оберненого двовимірного моделювання досліджена історія формування ДДЗ у пізньому палеозої шляхом побудови серії розрізів для певного геохронологічного інтервалу. Таке моделювання використано також для реконструкції історії росту солянокупольних структур ДДЗ. Пряме двовимірне моделювання рифтового й раннього пострифтового розвитку ДДЗ виконано з використанням положень моделі “вигнутої балки”. У результаті такого моделювання визначені коефіцієнти розтягу літосфери вхрест простягання басейну, амплітуда підйому бортів рифта під час рифтогенезу й відхилення від занурення, обумовленого виключно рифтовими процесами. За допомогою програмного пакету “2-D Move” по профілю DOBRE виконано обернене двовимірне моделювання тектонічної еволюції Донбасу. Автор брав участь у постановці задачі, обговоренні й інтерпретації результатів моделювання, формулюванні висновків У процесі моделювання була перевірена збалансованість глибинного розрізу уздовж профілю, реконструйована доерозійна потужність осадової товщі, а також визначені амплітуда підйому Донбасу під час інверсії, коефіцієнт розтягу літосфери й амплітуда підйому розділу М під час рифтогенезу. Для дослідження динаміки формування ДДЗ автор приймав участь в інтерпретації результатів числового моделювання процесів континентального рифтогенезу із застосуванням нового методу (Starostenko et al., 1996), у якому геофізичне середовище математично описується енергетично та динамічно відкритою неврівноваженою блоковою ієрархічною системою. Застосування методу дозволило покращити розуміння геодинамічних процесів, що впливали на утворення й еволюцію ДДЗ. За допомогою цього ж методу Д.Б. Венгровичем та автором виконано двовимірне моделювання з метою визначення ініціюючих і рушійних механізмів перетікання солі, вивчення динаміки формування соляних структур та особливостей деформацій осадових порід під час галокінезу.

Автором узагальнено і проаналізовано великий обсяг опублікованої інформації й нових даних, отриманих у ході виконання міжнародного проекту “GEORIFT”, з метою визначення впливу процесів, які контролювали походження, еволюцію й динаміку ДДЗ і Донбасу, й були викликані геодинамічними подіями в межах СЄП та її облямування. Дослідження проводилися в тісному співробітництві з Р.А. Стифенсоном, А. Сэйнтот, В.І. Старостенком, Т.П. Єгоровою та іншими. Комплексна інтерпретація геолого-геофізичних даних на основі методів структурного аналізу, порівняльної тектоніки й палеотектонічного аналізу дозволила з нових позицій простежити пізньодокембрійську й пізньопалеозойську тектонічну еволюцію СЄП у часі та встановити причинно-наслідкові зв'язки між станом літосфери ДДЗ і Донбасу та подіями в суміжних регіонах.

ТЕКТОНІЧНА БУДОВА Й ОСНОВНІ ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ ДДЗ І ДОНБАСУ

У розділі представлені основні результати, отримані автором при інтерпретації та узагальнені матеріалів регіональних сейсмічних досліджень МВХ-СГТ, моделювання тектонічної еволюції й даних геологічних методів, що застосовувалися при дослідженнях у рамках декількох міжнародних проектів. За матеріалами МВХ-СГТ отримані нові відомості про тектоніку девонського дорифтового комплексу. Тектонічна будова цього комплексу подібна до будови поверхні фундаменту, тому в порівнянні з дослідженнями КМЗХ-ГСЗ стало можливим істотно уточнити відомості про поведінку цієї поверхні на всій території ДДЗ. Це стосується в першу чергу її глибоко занурених частин. У розділі порівнюються дані про будову низів осадового чохла й поверхні фундаменту на підставі результатів КМЗХ - ГСЗ і МВХ-СГТ із аналізом причин їх розбіжності. Максимальна потужність осадів, що відклалися за всю геологічну історію ДДЗ, змінюється від 2-6 км на північному заході до 19 км на південному сході. На схід від лінії Зачепилівка-Бєльск підошва осадового чохла раптово занурюється в південно-східному напрямку із глибини 11-12 до 16-17 км. Далі в напрямку до Донбасу потужність осадових порід поступово збільшується й досягає в осьовій зоні Донбасу 23 км. Отримані автором результати впевнено свідчать про те, що на глибинах, де за даними ГСЗ мав би знаходитись рифейський грабен потужністю 5-10 км, у ДДЗ і Донбасі залягають кам'яновугільні і девонські відклади, а більш древні осадові утворення відсутні. Таким чином, тектонічні моделі еволюції регіону, що ґрунтуються на припущенні про тісний зв'язок пізньопротерозойських та пізньопалеозойських геодинамічних процесів, є помилковими. У той же час, нові матеріали сейсмічних досліджень і дані комп'ютерного моделювання доводять раніше контраверсійне положення про те, що ДДЗ та Донбас протягом пізнього палеозою були єдиною геологічною структурою, що формувалася на всьому зайнятому нею просторі під дією однакових геодинамічних чинників.

Як свідчать матеріали по профілю DOBRE, розділ М в Донбасі залягає практично горизонтально на глибині біля 40 км. Будь-якого підняття або занурення цього розділу під центром басейну не спостерігається. Нові дані про розділ М істотно відрізняються від раніше опублікованих моделей. В осьовій зоні Донбасу потужність консолідованої земної кори становить усього 17 км. Зменшення товщини земної кори більш, ніж у два рази по відношенню до УЩ і ВМ викликано, імовірно, девонським рифтогенезом. Внутрішня структура консолідованої кори складчастого Донбасу та суміжних територій характеризується великою кількістю витриманих інтенсивних відбиттів, що утворюються, імовірно, на межі змін фізико-хімічних або петрофізичних характеристик кристалічних порід. Про це свідчить той факт, що в межах ПМ на глибину простежена відбиваюча границя, яка за прив'язкою до геології денної поверхні відповідає границі, що розділяє два різновікових блоки фундаменту. Верхня частина кори ВМ є практично прозорою для сейсмічних хвиль, що кардинально відрізняє її від кори ПМ, де інтенсивні й витримані відбиття зафіксовані в приповерхневій частині розрізу. З огляду на таку істотну відмінність фізичних характеристик, що незалежно підтверджується даними гравітаційного моделювання про щільність порід (Т.П. Єгорова, 2007) і даними ГСЗ про швидкості сейсмічних хвиль на співставимих глибинах, автором зроблено висновок, що розповсюджене уявлення про ідентичність архейсько-протерозойських комплексів на південь та північ від Донбасу є помилковим. У нижній частині консолідованої кори осьової зони Донбасу досить протяжні й дуже інтенсивні відбиття зареєстровані на півночі від Головної антикліналі. Ці відбиття утворюють пакет, верхня частина якого залягає на глибинах від 6 км (на півдні) до 15 км (на півночі) нижче підошви осадового чохла. При порівнянні зі швидкісною моделлю, розрахованої за даними методу ГСЗ, з’ясовано, що згаданому пакету інтенсивних відбиттів відповідає аномальне високошвидкісне тіло. Сейсмогеологічні характеристики цього тіла дали підстави припустити, що воно сформувалося у зв'язку з інтрузією мантійних розплавів у нижню кору під час девонського рифтогенезу.

Пізньодевонські рифтові процеси в ДДЗ і Донбасі тривали близько 7-10 млн. років і захопили значно більшу територію, (особливо на південному сході), ніж вважалось на основі даних про поширення дорифтових та рифтових девонських відкладів. Рифтові процеси вплинули на значну частину північного борту південного сходу ДДЗ, північні окраїни Донбасу, Самарсько-Вовчанський виступ і ПМ. Південна зона блокових структур Донбасу в девоні являла собою аналог південної прибортової зони ДДЗ. Крайовий розлом девонського рифта знаходився південніше сучасної зони зчленування ДСС і ПМ. Під дією інтенсивного розтягу кристалічна основа ДДЗ та Донбасу була роздроблена згідними та незгідними скидами амплітудою 50 – 300 м на невеликі блоки з поперечними розмірами від 2 до 5 км. З огляду на роздільну здатність сейсморозвідки для великих глибин, можна припустити, що значна частина порушень амплітудою до 50 м не проявляється на часових розрізах. Тож в дійсності блоки можуть мати розміри менші, ніж 1-2 км. Великі блоки фундаменту, які складаються з більш дрібних, відділені один від одного скидами амплітудою до 3 км, а в Донбасі до 5 км і більше. Кути падіння високо амплітудних скидів на окремих ділянках становлять усього 40-500. Великі блоки фундаменту утворюють грабени та однобічні грабени (півграбени), у яких потужність синрифтових відкладів досягає 5 км у ДДЗ та 8 км у Донбасі. Як свідчать дані двовимірного моделювання, амплітуда підйому плечей рифта над рівнем моря поблизу крайових розломів могла становити 1 км і більше. До початку пострифтового занурення плечові підняття рифта були еродовані. Інтенсивне дроблення кристалічного фундаменту стало сприятливим фактором не тільки для виверження магм на поверхню, але й для насичення ними всієї товщі земної кори.

Процес пострифтового занурення ДДЗ і Донбасу почався в турнейському віці. Про це, серед іншого, свідчить характер розподілу потужностей кам'яновугільного і нижньопермського комплексів, типових для пострифтової стадії формування осадових басейнів. Амплітуда занурення басейну в карбоні поступово збільшувалася убік Донбасу, а вісь максимального осадконакопичення практично співпадала з віссю пізньодевонського рифта. Встановлено, що градієнт збільшення потужності осадових комплексів карбону при переході від ДДЗ до Донбасу є істотно меншим, ніж припускали дослідники, що доводили єдність розвитку цих двох геологічних структур у палеозої. Після ранньовізейсько-турнейської фази вповільненого прогинання на всій території регіону відбулося стрімке зростання швидкості тектонічного занурення, яке у пізньому візе в Донбасі й на південному сході ДДЗ можна порівняти зі швидкістю у пізньому девоні. Потім швидкість прогинання поступово зменшувалася в часі приблизно за експонентним законом, що характерно для еволюції типових пострифтових басейнів. На крайньому південному сході ДДЗ потужність кам'яновугільних і пермських відкладів досягає максимальних для западини значень 13,5 км, а глибина залягання підошви пострифтових відкладів становить 15 км. Збережена від розмиву потужність кам'яновугільних відкладів в осьовій зоні складчастого Донбасу досягає 15 км. При цьому максимальна потужність нижньокам’яновугільних відкладів становить майже 10 км. Як показали дані моделювання, до початку пермського підйому потужність порід карбону могла становити 18 км, а потужність усього верхньопалеозойського комплексу порід - 24 -25 км. Встановлено вирішальний вплив на еволюцію та формування сучасного структурного плану регіону трьох відносно короткотривалих фаз пострифтового розтягу земної кори (на початку пізнього візе, у середині серпухівського віку та на рубежі карбону й пермі) і однієї фази стиску (на рубежі мезозою й кайнозою). У Донбасі також проявилася фаза стиску на рубежі тріасу і юри. Інтенсивність прояву всіх тектонічних подій досягала максимуму на території Донбасу. Під час активізації тектонічних рухів в ДДЗ відбувалося активне формування солянокупольних структур і соляних штоків. Всі безсольові структури формувалися саме в ці фази. Нові дані вказують на те, що формування Головного антиклінала Донбасу й сусідніх з ним видовжених синкліналей у карбоні було викликано соляним тектогенезом. Перша пострифтова фаза тектонічної активності ДДЗ та Донбасу тривалістю не більше 6 млн. років проявилася на рубежі раннього й пізнього