К вопросу тектонофизической интерпретации геокинематических параметров Сибири

УДК 528.24 + 551.240.089 В.Г. Колмогоров СГГА, Новосибирск

К ВОПРОСУ ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГЕОКИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИБИРИ

V.G. Kolmogorov SSGA, Novosibirsk

THE PROBLEM OF TECTONOPHYSICAL INTERPRETATION OF GEOKINEMATIC PARAMETERS OF SIBERIA

The paper presents the principles of tectonophysical interpretation of modern Earth surface kinematic parameters on the basis of the investigation of modern Earth surface vertical motions correlations with different geological and geophysical parameters. Application of correlation cartographic models promotes the researchers understanding of the reasons of these motions.

Физико-механическое состояние среды (глубинные силы и процессы, возникающие в результате эволюции Земли как планеты и обусловливающие движение масс вещества и энергии твердых ее оболочек) недоступно изучению непосредственными методами и о них удается судить лишь по косвенным признакам и теоретическим построениям. Поэтому большая роль отводится изучению современной геодинамики, под которой понимается изменение во времени положения точек земной поверхности (геокинематические параметры) и элементов гравитационного поля Земли, движение полюсов и вращение Земли, путем инструментального мониторинга (систематических высокоточных геодезических, гравиметрических и астрономических наблюдений).

Фундаментальная задача исследований современных движений земной коры (СДЗК), под которыми понимаются деформации земной поверхности и вариации геофизических полей, связана с изучением механизма тектонических процессов и природы региональных аномалий движений. К другим задачам следует отнести прогноз региональных активизированных структурных зон и разломов с последующим исследованием их связи с сейсмичностью и размещением полезных ископаемых.

Вопрос о природе СДЗК однозначно еще не решен. В соответствии с этим современный этап разработки проблемы отличается в основном эмпиричес-ким подходом к ее решению, тенденцией к постановке комплексных исследований для набора возможно большей информации об особенностях и свойствах пространственно-временных параметров движений и деформаций с целью последующего перехода к геодинамической (тектонофизической) интерпретации полученных результатов и их использованию в решении различного круга задач. Полученные результаты исследований уже показали, что повторные геодезические наблюдения дают достоверную картину совре-менных

движений и деформаций земной поверхности, отражающих как особенности неоднородного строения земной коры, так и распределение и изменение современных напряжений в среде, связанных с ее геологической структурой и глубинными процессами. Таким образом, главной целью текто-нофизической интерпретации современных кинематических параметров является изучение природы современных движений земной коры и деформаций ее поверхности. При этом наиболее информативными параметрами являются скорости современных вертикальных движений земной поверхности

и их горизонтальные градиенты ^га^уг), характеризующие скорость изменения наклона земной поверхности по направлению нивелирной секции длиной г км. Последние можно представить формулами, аналогичным уравнению отвеса (или горизонтального маятника) [1]

^га^уг)р" = ¡г" = ix"cosar + ¡у'^таг,

где ¡г" и аг - скорость изменения наклона и направление (азимут или дирек-ционный угол) нивелирной секции, ¡х" = I"cosA и ¡у" = Г^тА -компонен-ты скорости наклона (в сек. дуги) в плоскостях меридиана и первого вертикала соответственно, которые находятся из решения уравнений (1), число которых равно числу смежных секций, пересекающихся в узловой точке. Значения скорости изменения истинного (максимального) наклона I" и его направление А определяются по известным формулам

I" =< 1Х2 + 1у, А = аг^0/1х).

Точность определения скорости изменения наклона земной поверхности геодезическим методом при тх = ту и = ц02) можно оценить по формуле

т" = 0,710х + 1У)ПР "/1АК0'5.

По вышеизложенной методике были вычислены годовые и построены пространственные (годографы) изменения наклонов земной поверхности по Селенгинскому профилю Байкальского геодинамического полигона и в районе строительства Северо-Муйского тоннеля трассы БАМ. Как правило, высокие значения изменения наклонов приурочены к разрывным зонам. Особенно высокой активностью отличился Перевальный разлом, по восточному крылу которого проходит Северо-Муйский тоннель: годовые изменения наклонов достигают величины 40" ± 0,11", что соответствует горизонтальному градиенту скорости СВДЗП 1,45 Ю-4 год-4. Подобные деформации обусловлены напряжениями, которые могут вызывать разрушение горных пород. Существенная связь годографов с количеством выделенной за период наблюдений сейсмической энергии свидетельствует о влиянии на мобильность выделенных блоков земной коры очага землетрясений, расположенного в 20 км к северо-востоку от нивелирного профиля [1].

В связи с необходимостью тектонофизической интерпретации выявленных аномалий СВДЗП и оценки масштабов их распространения и отношения к условиям геодинамических обстановок бала проведена типизация аномалий по характерным признакам [2]. Для определения этих признаков введено представление об амплитуде геокинематической аномалии - дh (максимальном отклонении кривой изменения отметок нивелирных пунктов от ее фонового значения) и ее размере - L (величине горизонтальной протяженности аномалий вдоль профиля). Исходя из морфологии кривых и соответствия основных характерных признаков, авторами [2] введены в рассмотрение четыре типа аномалий движений, различающихся как по морфологии, так и по соотношению между дh и L.

Если через одну из секций нивелирного хода проходит разлом, то соотношение величин а (региональный однородный наклон) и в (региональный однородный изгиб) позволяет судить о степени неоднородности деформирования приразломной зоны. Для количественной оценки однородности деформирования введен параметр Р [2]

Р = [\а\ - \в

Предложенный параметр не имеет особых точек и изменяется в пределах |—1; +1|. Каждому значению Р соответствует определенный тип деформирования: значению Р =+1 соответствует а-аномалия, при Р = -1 имеет место чистый изгиб - аномалия типа в(у), что означает максимальное нарушение однородности деформирования.

В случае четырех реперов (трех секций) вычисляются наклоны а1 и а2, изгибы в(у)1 и в(у)2 для двух правых и двух левых секций соответственно после чего вычисляются средние значения наклона и изгиба по формулам:

аСр = 0,5

в

Средняя секция, пресекающая разлом, искажает значения региональных наклона и изгиба и поэтому исключается из рассмотрения и вводятся величины модифицированных наклона и изгиба, вычисляемые по формулам

а* = 0,25^3/г23 - Ып/г12 - дк34/г34), в

Величины а* и в

В зависимости от соотношения а* и в(у)* параметр 0 изменяется в интервале | -1, +1|. Значению 0 =+1 соответствует ^-аномалия, значению 0 = -1 - в(у) - аномалия.

В качестве примера в табл. 1 показаны типы деформаций в зонах четырех (из рассмотренных 31, шесть из которых - грабены-рифты ЗСП)) наиболее крупных разломов Западно-Сибирской плиты [3].

Таблица 1. Классификация разломов Западно-Сибирской плиты по типу

деформаций земной поверхности в зонах разломов

№ разлома Название разлома и пересекающей его линии повторного нивелирования (или участка линии) Тип деформации Ширина приразломной зоны, км Значения параметров 0; Р; Р2

1 2 3 4 5

1 Колтогорско-Уренгойский грабен-рифт Петропавловск-Омск Тайга-Нижневартовск в £ 14 36 -0,89 +0,78

2 Аганский грабен-рифт Нижневартовск-ханты-Мансийск £ 52 +0,99

3 4 5 Чузикский грабен-рифт Тайга-Нижневартовск (восточный борт) Тайга-Нижневартовск (западный борт) б/н, Курган-Петропавловск б/н, Курган-Петропавловск Б а а £ 28 39 13 7 +0,59 0,00; +0,9; +0,7 0,00; +0,8; +0,8 +0,89

При решении ряда геодинамических задач (например, сейсмическое или эколого-геологическое районирование) данных о СДЗК, полученных на от -дельных профилях, оказывается недостаточно. При площадном распределении СВД, представленных в виде карт изобаз, поле принимается за регулярную поверхность, что позволяет вычислять ее наклоны (gradyh)p" и главные кривизны (к12) по Гауссовым фундаментальным величинам, представленным через первые (ух и уу) и вторые (у^, ууу, у^) производные скоростей СВДЗК [1]

gradvh =

2 2 0 5

К 2 = 0,5

Направления изменения наклонов (А) и главных кривизн (ф1 и ф2) вычисляются по формулам

^А = Уу/Ух, tgфl =

Преимущество изображения полей gradvh и к12 изолиниями перед осталь-ными способами (например, цветовой пластикой или шафировкой) очевид-ны: в любой точке карты можно получить конкретные числовые характерис-тики этих кинематических параметров.

Одним из важнейших этапов изучения причин современных движений земной коры (СДЗК) является создание картографических геодинамических моделей и на их основе - разработка методики сравнительного анализа пространственно-временных вариаций современных вертикальных движений и их взаимосвязей с полями другой физической природы. Для обнаружения таких связей используется мощный и разнообразный аппарат корреляционного анализа, позволяющий в результате его применения построить картографические корреляционные модели, отражающими связь СВДЗП с такими глубинными структурами, как кристаллический фундамент, границы раздела Конрада и Мохоровичича, неоднородностями верхней мантии и др.

Выявленные ранее корреляционной связи между скоростями вертикальных движений v, аномалиями силы тяжести в редукции Буге AgB, высотами земной поверхности Hv, изостатическими аномалиями AgH3 и глубинами залегания поверхности Мохоровичича Нм для различных регионов Сибири (для Западно-Сибирской плиты, Алтае-Саянской складчатой области, юга Сибирской платформы и южной части Байкальской складчатой области) позволили выявить региональную закономерность: увеличение скорости движений сопровождается увеличением высот рельефа, уменьшением аномалий силы тяжести, увеличением толщины земной коры. Эта закономерность, ярко выраженная в целом для всех перечисленных регионов и менее заметная для каждого в отдельности, имеет квазилинейный характер и свидетельствует об изостатическом уравновешивании крупных регионов Сибири. При этом амплитуды и скорости СВДЗП согласуются не только с размещением крупных элементов земной коры, но и с особенностями режимов их тектонического развития: чем сильнее проявления активизации мантии, нашедшие отражение в глубинном строении, геофизических полях, рельефе земной поверхности и т. д., тем интенсивнее СВДЗК [2, 3].

В заключение вышеизложенного следует отметить, что содержанием тектонофизической интерпретация основных геокинематических параметров является изучение природы СВДЗК как через построение картографических корреляционных моделей, отражающих связь кинематических характеристик земной поверхности с физико-механическим состоянием геолого-геофизикой среды, так и разработкой механизма аномального деформирования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Колмогоров В.Г.Современная кинематика земной поверхности юга Сибири [текст]: монография / В.Г. Колмогоров, П.П. Колмогорова. - Новосибирск: Наука, - 1990. - 153.

2. Сидоров В.А. Современные движения земной коры осадочных бассейнов [текст]: мон-я / В.А. Сидоров, Ю.О. Кузьмин.- М.: МГК при Президиуме АН СССР-1989. - 183 с.

3. Колмогоров В.Г. Корреляционный анализ некоторых кинематических параметров Западно-Сибирской плиты. // ГЕО_Сибирь-2008. Геодезия, геоинформатика, маркшейдерия. Сб. мат. IV Междунар. Научного конгресса. - Новосибирск: СГГА. - 2008. - 60-64 с.

© В.Г. Колмогоров, 2009