Геоморфологическая инфраструктура глубинного строения земной коры

ГЕОГРАФИЯ

УДК 551.4.012

Д. В. Лопатин, Н. И. Шавель*

ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ИНФРАСТРУКТУРА ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Постановка проблемы. В течение многих лет для решения прогнозно-мине-рагенических задач нами разрабатывается и успешно применяется методика геоморфологической индикации структурно-геологических неоднородностей литосферы на разных организационных уровнях. В основу методики положены индикаторы непрерывного морфотектонического ряда. На одном его конце находятся морфоструктуры и их элементы, конформные новейшим тектоническим неоднородностям и формам денудационной препарировки древних структурных образований земной коры. На противоположном конце ряда — квази-двумерные структуры в виде отдельных форм малоконтрастного рельефа, их рои, зоны и поля, активизированные энергией мантийных и коро-мантийных процессов, угасающих по направлению к земной поверхности и по этой причине не образующих морфоструктур. Обычно они не выделяются традиционными методами структурно-геоморфологического и тектонического анализа и представляют с морфострук-турой несогласные соотношения, так как стимулируются геодинамическими процессами разных литосферных слоев. В некоторых случаях они диагностируются картометрическими и дистанционными методами, успешно применявшимися в области рудного прогнозирования М. А. Фаворской, И. Н. Томсоном [1], Н.Т. Кочне-вой, И. К. Волчанской, Я. Н. Белевцевым, С. С. Быстревской [2], Я. Г. Кацем [3, 4] и особенно Ю. Г. Сафоновым, В. И. Микляевым [5], В. В. Соловьёвым [6], J.Kutina

[7] в своих исследованиях. Много сделано в области изучения глубинных структурных форм нефтегазоносных бассейнов П. В. Флоренским [1], Д. М. Трофимовым

[8], В. И. Гридиным, В. И. Лялько, В. В. Боровским, А. Л. Клоповым, Л. И. Соловьевой, В. А. Козловым [2], Д. В. Лопатиным [9], А. Л. Яншиным [10]. С современных позиций многомерного анализа множества данных рассматривают бассейны, содержащие подвижные углеводороды: А. А. Смыслов, А. В. Козлов, Ю. Р. Вяхирев [11] и с позиции диссипации глубинной энергии О. В. Петров, И. Б. Мовчан [12]. Наиболее четко они выявляются на космических снимках в виде тонометрических аномалий. К ним применим термин криптоморфные геоморфологические образования или инфраструктуры глубинных неоднородностей [13].

Материалы и методика исследований. Для изучения природы тонометрических аномалий изображения и получения практических знаний с их помощью могут быть использованы некоторые приемы моделирования. Наиболее простой из них

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 11-05-00123а) и Правительства РФ (проект 11.П34.31.0025).

© Д. В. Лопатин, Н. И. Шавель, 2011

связан с прямым сопоставлением яркостных моделей изображения со структурногеологическими и минерагеническими данными — прямой аналоговый метод. Более слож.ным является представление яркостных характеристик изображения в виде простых ориентированных линеаментных моделей и пространственно-временное сопоставление их с рудными узлами, полями и месторождениями-гигантами, в зависимости от масштаба поставленной задачи. С помощью этих моделей производится локализация площадей прогнозирования в узлах пересечения линеаментных зон, где возникают ослабленные места или структурные ловушки. Тип продуктивной минера-гении в них определяется геохимической специализацией тектонических блоков, в которых эти ловушки возникают. Обе задачи решаются на качественном уровне познания. Еще более сложной является задача сопоставления линеаментного ансамбля, обладающего центрозональной симметрией, с геодинамикой региональных очаговых тектономагматических структурных неоднородностей. В этом случае прибегают к качественному корреляционному анализу с магматизмом и минерагенией, используя сопоставления образа с аномальным гравитационным полем и магматическими телами разной геохимической специализации, локально проявленными на поверхности, в виде несвязанных пока системно с образами интрузивных тел. Для системной увязки их с малыми кольцевыми тонометрическими аномалиями на снимках используется статистический анализ, устанавливающий количественную связь между ними [13]. Важным результатом этих сопоставлений является выявление центробежной магматической и рудной зональности, связывающей форму тонометрической аномалии с ее внутренним тектоническим строением или магматическим очаговым процессом. В последнем случае в областях тектономагматической активизации в краевой части очага возникает кольцевая зона из гранитоидных штоков кислогранитного состава с редкометалльным оруденением, а в центре располагается поле гранитоидов среднего состава с золото-молибденовым оруденением. Наиболее перспективные для поисковой геологии и геофизики являются не вскрытые денудацией тела, которые диагностируются на общей тонометрической модели малыми кольцевыми аномалиями. Такие модели характерны для областей тектономагматической активизации и исследовались нами на примере Агинской региональной очаговой структурной формы позднемезозойского возраста Восточного Забайкалья [14]. Но самым слож.ным методическим действием является анализ флюидно-тепловой модели койлогенных областей [15] или активных синеклиз, являющихся крупными нефтегазоносными бассейнами. В качестве эталонной площади была исследована Обская радиально-концентрическая ли-неаментная структура надрегионального масштаба изображения, охватывающая всю Западно-Сибирскую плиту. Для ее анализа и создания приемлемой геодинамической концепции были взяты данные геомагнитного спутника РОСО, согласно которым вся центральная часть Западно-Сибирской плиты охватывается круговой геомагнитной аномалией----3 нТл, полученной с высоты 400 + 500 км. Для сопоставления ее

значений с гравиметрическим аномальным полем необходимо было найти формулу пересчета гравитационного поля на высоту съемки, при которой их телесные углы охватывали бы одну и ту же площадь. Затем была собрана обобщающая информация о характеристике теплового поля, совпадающая по размерности с линеаментной моделью и другими аномальными геофизическими полями. Методом парных корреляций были получены значения коэффициентов корреляции между всеми аномальными полями на площади Обского линеаментного ансамбля. Они оказались весьма представительными и составляли значения близкие к ± 1. Далее, были сделаны сопоставления с изменениями значений мощностей земной коры. Выявилось, что дуговые

геотермические аномалии коррелируют с круговым уступом в мантии, а мощности коры уменьшаются к центру кольцевой структурной формы от 50 км на Урале до величины менее 35 км в ее геометрическом центре. Положительные аномалии гравиметрического поля и теплового, а отрицательные — геомагнитного поля, свидетельствуют о наличии на границе «кора-мантия» рифтогенного процесса [16] (рис. 1). А. А. Смыслов называет это явление полигональным рифтогенезом, не выраженным в виде контрастной рифтовой зоны типа Великого Африканского рифта [11]. Такой процесс можно связать с диссипацией мантийной энергии [12] и трансформации ее, и в виде флюидно-тепловых потоков, переносящих информацию о глубинном строении на поверхность и преломляющихся в ландшафтные неоднородности, обуславливающие тонометрические аномалии оптики ландшафта [10]. Если обратить внимание на закономерности размещения нефтегазоносных брахискладок, то мы получим картину вихревого их взаиморасположения, возможно отображающего форму организации мантийного плюма, физические параметры которого прочитываются из взаимосвязей аномальных геофизических полей (рис. 2). Данный тип моделирования основывается на органическом единстве качественных и количественных характеристик. Он может быть использован при прогнозировании новых площадей подвижных углеводородов.

Результаты исследований и их обсуждение. Методики использования ли-неаментных моделей разной сложности достаточно полно освещены в литературе, включая и наши работы, и широко применяются на практике. Методика же исследования флюидно-тепловой модели организации вещества и структуры применяется пока недостаточно, поэтому требуется более подробное рассмотрение. Она предназначается для изучения наиболее общих закономерностей геодинамики литосфер и может быть применима и к другим мегаструктурным формам койлогенной природы, функционирующим с раннего мезозоя (а в ряде случаев и с позднего палеозоя) до нашего времени. Об этом свидетельствуют аналогичные условия отображения в оптике ландшафта большинства активных синеклиз, являющихся бассейнами подвижных углеводородов [13].

Модель, представленная на рис. 1 и 2 на первый взгляд кажется несколько парадоксальной и не вяжется с множеством имеющихся данных по глубинному строению. Она реально отображается в спектральных характеристиках ландшафта. Впервые контуры Обской структурной формы как структуры центрального типа были выделены еще в 70-х гг. В. В. Соловьевым на основе разработанного им геолого-морфо-логического метода [6], а важные ее фрагменты нашли отображение в фундаменте и закартированы на известной карте «морфоструктур» центрального типа. Нами же данная мегаструктура центрального типа была комплексно исследована как вихревая мантийная структурная форма при составлении карты глубинных рудоносных структур территории Северной Евразии в масштабе 1:5 000 000 [17], выполненная по тематическому заданию «Минприрода».

Совершенно справедливо считается, что основным источником информации о внутреннем строении мезозой-кайнозойского осадочного чехла являются материалы геофизических и, в первую очередь, сейсмологических, а также и буровых данных. В настоящее время пробурено более 4000 глубоких скважин, пройдено 26 профилей ГСЗ. Остается множество вопросов относительно строения седиментационного бассейна Западно-Сибирской низменности, его сочленения с Уральскими горами, связи орографии и тонометрических аномалий с глубинным строением. В частности, нет ответа на следующие вопросы:

1) Почему орографическая структура Полярного и Северного Урала, а также орогидроструктура Тавдинско-Туринского междуречья образуют единую дугу большого радиуса, обрамляющую Западно-Сибирскую низменность с запада?

2) Почему такая же орогидрография Иртыш-Кемского сектора низменности отображает аналогичную дугу, но уже юго-юго-восточной кривизны?

3) Почему конфигурация долины Оби в виде нескольких прямолинейных колен тоже образует полукруг, конформный этим дуговым орогидрографическим системам? А вместе с конфигурацией бассейнов рек Вах и Таз на обзорных снимках Метеор-Природа все вместе они образуют почти замкнутое кольцевое тонометрическое образование с внутренней круговой фотоаномалией на снимках Метеор-Природа в инфракрасной зоне спектра?

4) Нет ответа и на вопрос об орогидрографической индикации линеаментов, образующих центробежную систему внутри темного пятна, совпадающего с центральным куполовидным поднятием (возвышенность), откуда берут начало или обтекают его по дуге множество малых рек бассейнов рек Надыма, Полуя и Нижней Оби.

5) Не освещен в литературе и вопрос, почему множество малых кольцевых форм, большая часть из которых является брахиформными структурными образованиями, выявленными при геолого-съемочных работах с помощью картометрии и разномасштабных дистанционных материалов, образует вихревое взаиморасположение, полностью конформное космическому фотопортрету низменности и аномальным геофизическим полям, приравненным по размерности к магнитной аномалии спутника

РОСО.

6) Никем не опровергнута и кольцевая модель тектоники фундамента ЗападноСибирской платформы В. В. Соловьева [18].

Нет ответа и на множество более частных вопросов.

Развивая данное направление в своих исследованиях, мы сделали попытку увязать эти особенности орогидрографии и отображения ее структуры на космических снимках не столько со структурой чехла, сколько со структурой всей земной коры и динамикой верхней мантии, связав геометрию фотопортрета геодинамическим процессом [19]. В одной из своих последних фундаментальных работ выдающийся геофизик и теоретик минерагенического прогнозирования А. А. Смыслов и его соавторы геодинамические процессы, происходящие в фундаменте, определили как полигональный рифтогенез, предполагая при этом обязательный разогрев на границе кора-мантия и растягивающие напряжения на всей площади фундамента данного бассейна [11]. Анализ аномальных гравиметрического (АГП), теплового (АТП) и магнитного (АМП) полей, в корреляционной связи с тонометрическими, успешно подтвердил правильность койлогенной теории А. А. Смыслова. А корреляционные зависимости положительного знака (близкого к единице) между АГП и АТП и отрицательными с АМП однозначно свидетельствуют о рифтогенезе очагового типа в фундаменте. Вихревая же геометрия тонометрической аномалии это подтверждает, предлагая вихревую форму его проявления. На рис. 1 «россыпи» кольцевых фотоаномалий образуют вихревой рисунок. Суммируя известные нам данные о структуре фундамента и его инфраструктуре в ландшафте, в генерализованном виде можно предположить, что центрозональная симметрия, выявленная по внешним признакам дешифрирования, соответствует аналогичной в глубинной среде.

Маловероятно, что такие совпадения могут быть случайными. По-видимому, мы имеем дело с отображением в ландшафтной инфраструктуре геотермо-геохимиче-ской модели глубинного строения. И мы не одиноки в этом мнении [18]. Образование

линеаментов любой геометрии обеспечено непрерывным процессом физико-химического преобразования вещества. Этот процесс сопряжен с определенными особенностями протекания явления на разных глубинных уровнях литосферы. Он сопровождается выделением и вертикальной миграцией газово-жидких выделений, продуктов этих преобразований и тепла. Восходящий поток флюидов и тепла может быть как сосредоточенным, так и иметь региональный диффузный характер и являться практически сплошным. В обоих этих случаях плотность и состав потока не одинаковы во времени и по площади [10].

Первичные неоднородности глубинного потока флюидов и тепла отражают структуру и особенности процессов в той среде, в которой они зарождаются. Вторичные же — определены особенностями состава, структуры и проницаемости слоев, через которые этот поток проходит. Преобразуясь на поверхности, они отображаются в виде особенностей малых форм рельефа, обусловивших проявление специфических почвенных и растительных комплексов. Флюидно-газовые и тепловые потоки становятся видимыми и могут быть запечатлены на дистанционных изображениях с образованием над очагами флюидов форм линейной, кольцевой и вихревой геометрии [10]. Вертикальный поток вещества может рассеиваться и создавать на поверхности диссипативные криптоморфные образования, слабо проявленные в рельефе. Они могут локализоваться в виде несогласного плана, мало осложняя морфоструктурный рисунок [8, 2].

Синеклиз похожей геодинамики на Земном шаре не так уж и мало. Они могут образовывать и целые пояса. Множество койлогенных синеклиз разной формы и возраста объединены Урало-Африканским «линеаментом» в зону, где сосредоточено 75% всех газовых и 65% нефтяных месторождений подвижных углеводородов Земли и все месторождения-гиганты [11, рис. 7]. Это обстоятельство получает сильную поддержку результатам нашего моделирования Обской криптоморфной мегаструктуры центрального типа как структурной формы плюм-тектонической природы. Методика исследования таких образований применима лишь на глобальном уровне изучения организации структуры и вещества литосферы Земли.

Рис. 1. Линеаментная модель глубинной флюидно-тепловой Обской структурной формы Западно-Сибирского койлогена. Верхняя часть рисунка. Схема индикационных признаков дешифрирования глубинного строения Обской криптоморфной мега-структурной формы Западно-Сибирской синеклизы. 1—7 — геоморфологические индикаторы: 1 — структурные уступы, 2 — денудационные уступы, 3 — отрицательные перегибы склонов подножья брахиформных поднятий, 4 — оси водоразделов, 5 — вариастраты (бровки и тыловые швы пластовых отдельностей, дешифрирующиеся в виде тоновых линий на снимках) на склонах брахиформных поднятий, 6 — линеаменты, составленные малыми формами рельефа разного происхождения, 7 — линеаменты, составленные геомет-ризованными участками долин гидросети; 8 — фототоновые линеаменты, проявляющиеся в низкочастотных диапазонах спектра — а) разломы, б) локальные грабены, в) глубинные разломы, 9 — оси складчатых дислокаций фундамента, 10 — уступы поверхности Мохо (по данным В. В. Соловьёва [6]), 11 — изодинамы магнитного поля по данным спутниковой съёмки POGO: нулевых (пунктир) и отрицательных значений (штрих-пунктир), 12 — глубина залегания поверхности Мохо в км, 13 — индексы центрозональных криптоморфных структурных форм, охарактеризованных в работе [16], 14 —блок фундамента с наименьшими мощностями земной коры (менее 35 км). Ниж.няя часть рисунка. Поперечный профиль, проведённый по широте 64°. Штриховкой: с наклонов вправо — мантийный «слой», влево — блоки плиты байкальской консолидации, вертикальная — палеозойский фундамент; крестики —гранитный «слой»; крап — геоморфологический «слой» Уральских гор и конформные ему осадочные толщи Западно-Сибирской плиты; черная полоса — ограничительные рубежи плиты; УЪ— флюидно-тепловые потоки по глубинным разломам.

Рис. 2. Схема размещения малых брахиформных образований покрова Западно-Сибирской синеклизы по данным комплексного дешифрирования КС и РЛС.

1 — ограничительные разломы, 2 — линеаменты в пределах синеклизы, 3 — сквозные рулоконцентрирующие линеаментные зоны в пределах Уральского складчатого пояса, 4 — шарьяже-надвиговые разломы там же, 5 — рифтогены фундамента, читающиеся на КС, 6 — зоны сочленения плитного чехла и складчатого основания на поверхности или с незначительным перекрытием платформенным чехлом, 7 — линеаменты, ограничивающие овал геометрического центра линеаментной системы (рис.2, 18), 8—9 — поля распространения малых овоидных образований в пределах: 8 — складчатых структурных образований, 9 — плитного чехла, 10 — предполагаемое южное ограничение Карско-Новоземельской центрозональной мегаструк-турной формы.

Выводы. 1. Методика изучения геоморфологической инфраструктуры глубинных неоднородностей литосферы на разных уровнях пространственной организации предусматривает проведение (по крайней мере) четырех типов моделирования: от простого к сложному, и от наиболее общего к наиболее частному уровню пространственной организации. Методика базируется на комплексном геолого-геоморфологи-ческом подходе, где геоморфологические модели играют системообразующую роль. Каждый из типов моделирования призван решать свои задачи, используемые при минерагеническом прогнозировании.

2. В качестве примера мегаструктурного уровня рассмотрены основные положения методики изучения Обской вихревой плюм-тектонической структуры ЗападноСибирской плиты как составной части Урало-Африканского «линеамента».

3. Общим для моделей всех уровней является использование информации геоморфологических и дистанционных методов в виде морфологических и яркостных образов, линеаментных систем и численных спектрально-яркостных характеристик. В результате опыта установлено, что эти данные наиболее плотно коррелируют не с геолого-тектоническими характеристиками земной коры, а с аномальными геофизическими полями, что позволяет делать принципиально новые построения.

4. Использование методики на мегаструктурном уровне сложных моделей может дать неожиданный результат в изучении их генезиса и размещения новых продуктивных площадей.

Литература

1. Томсон И. Н., Фаворская М. А. Рудоконцентрирующие структуры территории СССР и принципы локального прогнозирования эндогенного оруденения // Сов. Геол., 1968. №10. С. 5-15.

2. Космическая информация в геологии / под ред. А. В. Пейве, А. В. Сидоренко, А. Л. Яншина / М.: Наука, 1983. 534 с.

3. Кац Я. Г. Линеаментная тектоника. М.: Недра / под ред. В. Е. Хаина. 1987. 120 с.

4. Сквозные рудоконцентрирующие структуры / под ред. И. Н. Томсона/, М.: Наука, 1986. 217с.

5. Сафонов Ю. Г., Парфенов В. Д., Микляев В. И. и др. Использование данных дистанционного зондирования при изучении гидротермальных рудных полей. Тезисы XXVII МГК. М., 1984. Вып. VIII. С. 249-250.

6. Соловьев В. В. Структуры центрального типа на территории СССР по данным гео-лого-морфологического анализа. Л.: Недра, ЛО, 1978. 110с.

7. Kutina J. Regularities in the distribution of ore deposits along Mondocino latitude // Western United States Global tectonics and metallogeny, 1980. Vol. 1, N 2. P. 134-193.

8. Трофимов Д. М. Глубинное строение Восточно-Европейской платформы по данным дешифрирования космоснимков // Известия вузов. Геол. и разведка, 1981. №3. С. 39-44.

9. Лопатин Д. В. Линеаментная тектоника и месторождения-гиганты // Исследование Земли из космоса. 2002. №2. С. 77-90.

10. Дистанционные исследования при нефтегазопоисковых работах / под ред. А. Л. Яншина. М.: Наука, 1988. 224 с.

11. Смыслов А. А., Козлов А. В., Вяхирев Ю. Р. Проблемы нефтяной отрасли России в XXI веке и пути ее решения. Актуальные проблемы минерально-сырьевого комплекса // Записки горного Института. Приложение, 2003. С. 1-12.

12. Петров О. В., Мовчан И. Б. Диссипативные структуры земной коры и мантии как отражение волновых процессов. // Региональная геология и металлогения, 2003, №17. С. 53-65.

13. Лопатин Д. В. Дистанционные исследования криптоморфных геоморфологических структур // Геоморфология. 2006. №2. С. 6-20.

14. Лопатин Д. В., Шавель Н. И. Агинская центрозональная криптоморфная тектоно-магматическая структурная форма Юго-Восточного Забайкалья // Исследование Земли из космоса. 2009. №1. С. 1-9.

15. Глубинное строение и геодинамика литосферы / под ред. А. А. Смыслова. Л.: Недра, ЛО. 1983. 273 с.

16. Корреляция геофизических полей / под ред. В. В. Соловьева. М.: Наука. 1991. 254 с.

17. Лопатин Д. В. Карта рудоносных структур СССР масштаба 1:5 000 000 по данным дистанционных съемок // Принципы и методика дистанционных исследований при прогнозировании твердых полезных ископаемых / под ред. В. М. Терентьева и Д. В. Лопатина. СПб.: ВСЕГЕИ, 1992. С. 22-27.

18. Соловьев В. В. Карта морфоструктур центрального типа территории СССР. М-ба 1:10 000 000 / под ред. А. А. Кривонос и Э. Г. Моисеева. Л.: ВСЕГЕИ, 1982

19. Лопатин Д. В., Шавель Н. И. Отображение на космических снимках и в ландшафте флюидной модели глубинного строения Обской мегаструктуры центрального типа // Эколо-го-географические проблемы природопользования нефтегазовых районов — теория, методы, практика / под ред. А. В. Нехорошевой. НГГУ. Нижневартовск, 2010. С. 15-19.

Статья поступила в редакцию 1 июля 2011 г.