Гравиметрические исследования в Генапдонскои ущелье: первые результаты

Гравиметрические исследования в Геналдонском ущелье: первые результаты

О.В. Копаев', П.Г. Гурбанов2

Выполнена гравиметрическая съемка на профиле протяженностью 7,5 км в Геналдонском ущелье вдоль реки Геналдон с шагом 0,5 км, с использованием кварцевого термостатированного геодезического гравиметра Содин. Точность аномалий Буге, полученныгх с использованием цифровой модели рельефа, составляет 0,5 мГал. Южная часть профиля характеризуется значительной отрицательной аномалией, составляющей до -25 мГал и нарастающей по мере приближения к Казбеку. Предварительная интерпретация, вытолненная с учетом доступной геолого-геофизической информации, предполагает наличие значительного близповерхностно-го разуплотнения, связанного с разогретой магматической камерой спящего вулкана Казбек.

А.В. КОПАЕВ, А.Г. ГУРБАНОВ. ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...

ВВЕДЕНИЕ

Гравиметрический метод является одним из наиболее часто используемых в полевой геофизике (несмотря на известную неоднозначность интерпретации) благодаря его относительной простоте, мобильности и эффективности комплексирования с такими методами, как сейсмо-, магнито- и электроразведка.

Метод особенно эффективен при выявлении тектонических нарушений, приводящих к вертикальной слоистости среды, и разуплотнений различного рода. Именно в связи с этим возникла идея использовать его в районе долины реки Геналдон для уточнения тектонического строения и обнаружения возможного интенсивного разуплотнения, связанного с наличием предполагаемой близповер-хностной магматической камеры вулкана Казбек.

С другой стороны, гравиметрическая съемка в условиях высокогорья представляет собой проблему как с точки зрения метрологических качеств и надежности приборов, так и с точки зрения высотного обеспечения, и потому успех ее был неочевиден.

МЕТОДИКА РАБОТ

Гравиметрические наблюдения в Геналдонском ущелье были выполнены в июле 2003 г. Для съемки был использован канадский термостатированный полевой кварцевый гравиметр Содин сер. № 212 геодезического типа с погрешностью наблюдений в геодезическом диапазоне (7 Гал) - 0,3-0,5 мГал. Координаты точек наблюдений определялись при помощи карманного GPS-приемника Magellan-3000. Точность определения плановых координат и высоты составляла 1-3 м, что приводило к погрешности определения аномалий Буге - конечного продукта съемки - порядка 0,3-0,5 мГал. Шаг

1 A.B. Копаев - к.ф.-м.н, ГАИШ МГУ.

2 А.Г. Гурбанов - к.г.-м.н., с.н.с. ИГЕМРАН.

съемки в 500 м выдерживался с точностью ± 100 м из-за больших сложностей с выбором ровной площадки для установки прибора и нормального обзора неба для захвата не менее 4 спутников ОРБ-приемником. Необходимости в создании опорной сети не было, поскольку за 3 дня съемки дрейф составил менее 1 мГал по результатам повторных наблюдений на опорной точке вблизи здания базы МЧС в Кармадонском ущелье.

ОБРАБОТКА ДАННЫХ

Всего было определено 15 значений силы тяжести вдоль долины р. Геналдон по профилю субмеридионального простирания протяженностью 7,5 км на юг от лагеря спасателей у Кармадонского тоннеля (рис. 1, см. цв. вкл.). Почти параллельно основному профилю вдоль ущелья р. Геналдон был выполнен дополнительный опорный профиль вдоль ущелья р. Мидаграбиндон объемом 16 пунктов.

До начала полевых наблюдений и после возвращения в Москву был взят отсчет на абсолютном пункте ГАИШ, таким образом, была обеспечена абсолютная привязка съемки с точностью не ниже 1 мГал. В полученные абсолютные значения силы тяжести на каждом пункте были введены стандартные редукции за нормальное поле, за высоту и за плотность промежуточного слоя (2,67 г/см3). Вычтена постоянная составляющая - 80 мГал, соответствующая региональному изостатическому фону. Поправка за притяжение рельефа в результаты обработки данных вводилась на основе цифровой модели рельефа (рис. 2), любезно предоставленной И. Галушкиным, и оригинального комплекса программ из работы [2]. Точность определения поправки за рельеф не хуже 0,5 мГал.

ТОМ 4

№ 3

ВЕСТНИК ¥Ж

ВПАОИКАВКАЗСКОГО НАУЧНОГО UEHTPA (И^^^^Я

10

ГРАВИМЕТРИЯ И ГЛУБИННЫЕ СТРОЕНИЯ

На рис. 3 приведен график зависимости аномалий Буге вдоль Генал- зо^ донского ущелья с учетом притяжения рельефа, для сравнения также представлен график аномалий Буге вдоль Мидаграбинс-кого ущелья.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ДАННЫХ

Визуальный анализ графика на рис. 3 свидетельствует о наличии интенсивной аномалии силы тяжести, начинающейся за с. Тменикау и резко нарастающей по направлению к г. Казбек от 0 до 20-25 мГал всего на расстоянии в 3-4 км. Такие градиентные зоны обычно бывают приурочены к крупным близ-поверхностным сбросам амплитудой порядка 0,5-1 км, перекрытым осадочными толщами. Однако наличие подобного объекта в данном регионе не подтверждается имеющейся геолого-геофизической информацией. Отметим, что без площадной съемки практически невозможно отделить региональный фон 42.79 на «висящем» профиле. Можно лишь использовать для этой цели почти параллельный Мидаграбинс-кий профиль (рис. 1, 3) и оценить региональный изостатический эффект величиной порядка -10 мГал. Тогда локальный минимум составит порядка 10-15 мГал. Следует отметить, что Мидаграбинский гравиметрический профиль демонстрирует существенно иной характер уменьшения силы тяжести по мере приближения к водораздельной части Главного Кавказского хребта.

Пока его можно интерпретировать в рамках предположения о наличии крупного близ-поверхностного (первые километры) разуплотнения, связанного с наличием еще не остывшего магматического тела под спящим вулканом Казбек, по аналогии с известной серией публикаций Авдулова и Ко-роновского об интерпретации Эльбрусского гравитационного минимума [1]. Однако градиент (скорость нарастания амплитуды отрицательной аномалии с продвижением на юг) здесь существенно выше, что говорит о наличии разуплотненного тела с близпо-

42.86

42.85-

42.84-

42.83- -1

42.82-

42.81- =

42.80--

42.78-

42.77-

42.76-

42.75-

44.48 44.49 44.50 44.51 44.52 44.53 44.54

Рис. 2. Фрагмент цифровой модели рельефа Северной Осетии, использованной при вычислении поправки за рельеф в результате гравиметрической съемки в Геналдонском ущелье. Разрешение модели - 50 м. Изолинии проведены через 100 м. Штрих-пунктиром отмечено плановое положение выполненного в июле 2003 г. гравиметрического профиля.

верхностной кровлей (глубина порядка 1-2 км ниже уровня моря), небольшим простиранием по глубине (не более 5-7 км ниже уровня моря) и значительным плотностным контрастом (до 0,5 г/см3 ).

Эльбрусский (значительно более интенсивный по амплитуде) гравитационный минимум скорее всего представляет собой суммарный (и трудноразделимый) эффект трех перекрывающих друг друга по высоте тел аномально низкой плотности - глубокого (20-40 км) магматического очага, близповерхнос-

ТОМ 4

№ 3

ВЕСТНИК ¥Ж

ВПАППКАВКАЗСКОГО НАУЧНОГО UEHTPA (И^^^^Я

A.B. КОПАЕВ, А.Г. ГУРБАНОВ. ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ...

и

мГал

5

О 12

Аномалии Буге, ВЫВОДЫ

Предварительная интерпретация данных гравиметрической съемки по профилю протяженностью 7,5 км в Геналдонском ущелье с высокой степенью вероятности позволяет интерпретировать и' 7 интенсивный гравитационный минимум

в южной части профиля с резким нарас-8 1 танием отрицательной аномалии по мере

приближения к г. Казбек как эффект _10__* ^ о близповерхностной (кровля - 1-2 км, по-

дошва - 5-7 км) магматической камеры, причем вещество в ней насыщено вод--15 — 2 4 ными флюидами и нагрето до темпера-

3 туры более 1000°.

Для более уверенной интерпрета- ч 5 ции потребуются дополнительные геофизические, геологические и гидроге-4 ч ологические данные, в том числе результаты площадной

_,-,-,-,-,-,-,-,-,-, гравиметрической съемки, без которой

1 2 з 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 крайне затруднительно разделить на-

расстояние вдоль профиля, км блюденное поле на региональную Рис. 3. Графики изменений аномалий Буге вдоль ущелий часть, вызванную притяжением изос-

р. Геналд°н^( - - -ф и р. Млдаграбинд°н (--) после учета татических корней Кавказского хреб-

та, и локальную, обусловленную эф-

-20

-25

притяжения рельефа.

тной (5-10 км) магматической камеры и кальдеры (0- фектом верхней части разреза, включая предпо-

1 км). В случае Казбека глубинный очаг, по предва- лагаемую магматическую камеру. рительным данным, может отсутствовать (или уже Выбранная методика работ и использованное

остыл), как и кальдера, а камера расположена очень оборудование позволяют успешно выполнять каче-

близко под поверхностью, имеет относительно мень- ственные гравиметрические наблюдения в экстре-

шие размеры и значительный плотностной контраст мальных высокогорных условиях, однако работы

(до 0,5 г/см3). Поскольку плотность горных пород при могут быть сильно затруднены или невозможны в

переходе в расплав уменьшается на 10-15 %, для условиях непогоды.

БЛАГОДАРНОСТИ

объяснения такой аномалии приходится предположить, опять же по аналогии с [1], наличие водных флюидов в магматическом расплаве в большом коли- Наблюдения и обработка данных выполнены при

честве (до 20 %), что может свидетельствовать об финансовой поддержке Владикавказского научного

очень высокой (более 1000°) температуре в магмати- центра РАН и Правительства Республики Северная

ческом расплаве. Осетия-Алания, РФФИ (грант 03-05-64215). Авторы

Такая интерпретация является, безусловно, настоящего отчета искренне признательны А.Г. Кус-

предварительной до получения новых гравиметри- раеву, В.Б. Заалишвили и сотрудникам МЧС Респуб-

ческих и других геофизических данных, однако она лики Северная Осетия-Алания за внимание и содей-

подтверждается появлением значительно более го- ствие в работе. Сотрудники ИГЕМ РАН В. Газеев,

рячих, чем в Приэльбрусье, минеральных источни- А. Докучаев и А. Лексин оказали неоценимую по-

ков по мере приближения к Казбеку, а также ре- мощь при проведении наблюдений и обработке дан-

зультатами электроразведки методом МТЗ и дис- ных. Студенты физ. факультета МГУ Н. Борисова и

танционного теплового зондирования (см. статьи в А. Лагуткина помогали при подготовке аппаратуры

настоящем сборнике). и проведении вычислений.

Литература

1. Абдулов М., Короноеский Н. О геологической природе Эльбрусского гравитационного минимума // Вестник МГУ. Сер. 4. Геология, 1993. № 3. С. 94-101.

2. P. Banerjee. Gravity measurements and terrain corrections using a digital terrain model in the NW Himalaya // Computers and Geosciences, 1998. V. 24. №. 10. P. 1009-1020.

TOM 4

№ 3

ВЕСТНИК иа

ВПАОПКАВКАЗСКОГО НАУЧНОГО UEHTP^ QOO^I

12 ЭНДОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПО ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ

Результаты первого этапа эпектроразведочных работ ОМТЗ и МТЗ в Генапдонском ущелье

В.Н. Орбузкин', И.С. Фельдман2, Е.О. Трофименко 3

Магнитотеллурические исследования являются составной частью комплекса геолого-геофизических работ, проводимых в различных регионах, в том числе с целью изучения геодинамического состояния среды, оценки возможности развития опасных (катастрофических) геологических процессов. В 2001-2002 гг. работы МТЗ, выполненные в Приэль-брусье, позволили выделить в районе вулкана аномалии проводимости, которые трактуются как магматическая камера (на глубинах 2-8 км) и магматический очаг (глубины свыше 30 км).

В Геналдонском ущелье небольшой объем АМТЗ и МТЗ выполнен в июле-августе 2003 г. геофизической службой ФГУГП «Кавказгеолсъемка» по договору с Владикавказским научным центром (ВНЦ) РАН.

Аудиомагнитотеллурические зондирования (АМТЗ) играли вспомогательную роль и проводились с целью изучения верхней части разреза, оценки уровня помех и выбора пунктов постановки МТЗ. Работы выполнялись станцией АКФ (аппаратура корреляционных функций). Крестообразной установкой регистрировались 4 компоненты естественного электромагнитного поля Земли Ex, Ey, Hx, Hy. Длина приемных диполей была выбрана на основании опытных работ и составила 50 м. Увеличение длины линий до 100 м приводило к резкому увеличению уровня регистрируемых помех и весьма ограничивало выбор площадок, пригодных к работе. Методика наблюдений была стандартной и соответствовала «Инструкции по эксплуатации аппаратуры АКФ». Перед началом полевых работ и в их процессе проводились калибровки каналов и индукционных датчиков. Наблюдения выполнялись с помощью портативного Notebook «Toshiba», который использовался как управляющий, регистрирующий и обрабатывающий блок. Диапазон измерений составлял в основном 10-600 Гц, на отдельных точках низкие частоты регистрировались с 8 Гц. Длительность собственно измерений в этом

частотном диапазоне не превышает 1 мин., но цикл считается завершенным, если когерентность между соответствующими каналами не ниже 0,7. Неожиданно высоким оказался фон электромагнитных помех, особенно в районе п. Кармадон. Поэтому на каждой точке цикл измерений многократно повторялся, часто с переменой места установки, до получения необходимой когерентности. Фактически на отработку одного пункта АМТЗ уходил рабочий день. Всего на профиле выполнено 11 ф.т. АМТЗ, пригодными к обработке и интерпретации признаны наблюдения в 10 пунктах.

Полевые работы МТЗ выполнялись двумя станциями «Р^ешх» (Канада) - MTU-5MT № 1285 и МТи-2Е № 1403. Станция MTU-5MT использовалась как базовая на точке № 10, остальные пункты отработаны станцией MTU-2Е. Перед началом профильных работ на базовой точке в течение 3 суток изучалось соотношение сигнал/помеха с регистрацией 4 компонент естественного электромагнитного поля (Ex, Ey, Hx, Hy) в полном частотном диапазоне станций MTU (320-0,00055 Гц). Было установлено, что наиболее благоприятное время - ночные часы. На рядовых пунктах электрические поля регистрировались крестообразной установкой длиной 50-90 м, в азимутах 0-90°. Регистрация проводилась с 19 часов вечера до 6-7 часов утра. Практически весь период наблюдений сопровождался пасмурной погодой, дождями с грозами и туманами, что осложняло как выбор площадок, так и перемещение аппаратуры с пункта на пункт. Калибровка станций и индукционных датчиков выполнена дважды: до начала работ и по их завершении. Планово-высотная привязка пунктов наблюдений осуществлялась с помощью GPS-приемников, входящих в состав станций. Схема расположения пунктов наблюдений показана на рис. 1.

Обработка материалов АМТЗ выполнена по обычной схеме. После окончания сеанса измерений

1 В.Н. Арбузкин — начальник партии,ФГУГП «Кавказгеолсъемка», г. Ессентуки.

2 И.С. Фельдман — к. г.—м. н., ООО «Центр ЭМИ», главный геофизик, г. Москва.

3 Е.А. Трофименко — главный геофизик партии,ФГУГП «Кавказгеолсъемка», г. Ессентуки.

ТОМ 4

№ 3

ВЕСТНИК ШЯ

ВПАППКАВКАЗСКОГО НАУЧНОГО UEHTPA