Новые данные о геодинамических особенностях формирования кряжа Карпинского

УДК 550.34:551.25

В. В. Пыхалов

НОВЫЕ ДАННЫЕ О ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЯХ ФОРМИРОВАНИЯ КРЯЖА КАРПИНСКОГО

Кряж Карпинского является крупным палеозойским структурным элементом зоны сочленения Скифской платформы и Прикаспийской впадины. Параллельно северной периферии кряжа расположена Каракульско-Смушковская зона поднятий (КСЗП). Последняя осложняет южную периферию Астраханского свода и Сарпинского прогиба. От Астраханского свода КСЗП отделяется небольшим прогибом по кровле кристаллического фундамента, возможно являющегося западным продолжением крупного Тугаракчанского прогиба.

Зона сочленения Прикаспийской впадины и кряжа Карпинского имеет сложное строение и характеризуется сближенными разломами типа сброс - надвиг, глубина проникновения которых охватывает палеозойский осадочный чехол.

Полученные в последние десятилетия геолого-геофизические данные позволили существенно дополнить имеющиеся представления о глубинном строении рассматриваемой территории.

Под кряжем Карпинского кровля поверхности Мохоровичича (М) залегает на глубине 42-45 км. В северном и южном направлении поверхность М испытывает воздымание. В районе КСЗП кровля поверхности М залегает на глубине 38-40 км и через незначительный прогиб (амплитудой 1-3 км) вновь испытывает воздымание по направлению к Астраханскому своду. В пределах правобережной части Астраханского свода поверхность М имеет наименьшую глубину залегания - порядка 37 км.

В направлении к Заволжскому и Сарпинскому прогибам поверхность М плавно погружается с отметки 37 км до отметок 38-40 км и более.

По данным глубинных сейсмических исследований, выполненных Астраханской геофизической экспедицией, в пределах КСЗП низы консолидированной коры осложнены наклонным цугом отражений, уходящих в верхнюю мантию.

Расслоение поверхности Мохоровичича отмечается на глубине 38-40 км и характеризуется цугом отражателей (М’), которые под углом 48-51° погружаются на глубину 60-70 км и далее выполаживаются и практически субпараллельно поверхности М прослеживаются до центральной части Астраханского свода [1].

В пределах КСЗП и Астраханского свода, по сейсмическим данным, толща кристаллического фундамента характеризуется неоднородным, преимущественно двухслойным строением. Верхняя толща, соответствующая гранитному слою, в сейсмическом волновом поле в основном акустически прозрачна. Второй слой выделяется скоплением коротких осей синфазности: чаще -горизонтальных, реже - наклонных, образующих диапироподобные складки [2, 3]. Подошвой этих отражателей, как правило, является граница М, отделяющая нижнюю кору от практически «прозрачной» мантии. Иногда эти неоднородности продолжаются в глубь верхней мантии. Сходная расслоённость нижней части земной коры, получившая название «рефлективити», установлена во многих регионах мира [4, 5].

В районе КСЗП внутрикоровые диапиры наклонены в северо-восточном направлении. При этом южное крыло складок пологое, северное - крутое. Для диапиров, расположенных по северной и восточной периферии Астраханского свода, характерен пологий северовосточный склон и более крутой южный.

Максимальная толщина диапиров колеблется в пределах 19-20 км и повторяется с интервалом в 30-35 км в пределах Астраханского свода, что может свидетельствовать о наличии складчатости в низах коры.

В 2006 г. специалистами «Южморгео» (при нашем участии) было выполнено комплексное моделирование данных сейсморазведки, гравиразведки и магниторазведки в пределах Астраханского свода. При выполнении моделирования в качестве основы использованы сейсмические данные о морфологии плотностных границ, включая и толщу кристаллического фундамента, плотностные и магнитные параметры осадочного чехла.

В результате исследований было получено: для гранитного слоя земной коры плотность составила 2,7-2,75 г/см3, магнитная восприимчивость - 0,138. Для внутрикоровых неоднородностей эти показатели составили соответственно 2,8-2,9 г/см3 и 0,062, что предполагает их базальтовый состав. Эти данные достаточно хорошо согласуются с плотностными характеристиками вулканогенно-плутонического комплекса Северо-Каспийской аномалии [6].

По данным электрозондирования отчётливо выделяется кровля фундамента. Апикальной части диапиров соответствует резкое повышение электропроводности [1, 7].

Строение фундамента кряжа Карпинского принципиально иное. Во-первых, здесь выделяется палеозойское складчатое основание (складчатый фундамент), перекрывающее кристаллический фундамент.

Толща кристаллического фундамента характеризуется трёхслойным строением [8].

Первый слой - верхняя кора кристаллического фундамента - представлен преимущественно гранитоидами со скоростью продольных волн (Р-волн) 6,0-6,5 км/с. В сейсмическом волновом поле в верхней коре, как правило, присутствуют наклонные отражающие площадки, отвечающие поверхностям разрывов и напластований. Толщина слоя под кряжем Карпинского - 5 км.

Ниже этой границы располагается промежуточный слой со скоростью Р-волн 5,7-6,0 м/с, что может свидетельствовать о его повышенной флюидонасыщенности. Этот слой является главным уровнем анатектического гранитообразования. Средняя кора акустически прозрачна. Толщина слоя в пределах кряжа Карпинского около 10 км.

Нижняя кора в сейсмическом волновом поле выражена субпараллельными и субгоризон-тальными осями синфазности.

Отмечается общее увеличение толщины консолидированной коры в направлении от кряжа Карпинского (толщина 23-25 км) к Астраханскому своду (26-27 км) и далее в сторону Заволжского прогиба. В последнем толщина коры достигает 30 км и более.

Существуют явно выраженные морфологические закономерности в поведении внутрикоро-вых диапиров и палеозойских (до верхнепермских) отложений осадочного чехла [1]. Эти закономерности показывают, что время формирования внутрикоровых диапиров - послекаменноугольное.

Рассмотрим возможную природу формирования кряжа Карпинского в свете вышеприведённых данных.

Особенности геологического строения консолидированной коры кряжа Карпинского и характер распределения магнитных и гравитационных аномалий отражают погребённый палеорифт. По кровле кристаллического фундамента рифтовая структура представляет собой разновеликие блоки, ступенчато погружающиеся до 13-15 км от Днепрово-Донецкой впадины в южном направлении. Протяженностью рифта более 500 км. Выше по разрезу кристаллический фундамент перекрыт складчатым фундаментом значительной толщины.

Важным является определение типа рифтогенных процессов (активного, либо пассивного) способствовавших формированию кряжа Карпинского и его зоны сочленения с Прикаспийской впадиной.

Согласно гипотезе активного рифтогенеза, заложение рифта кряжа Карпинского связано с распадом суперконтинента Мегагея в рифейское время [9]. В результате распада были сформированы отдельные террейны, в том числе микроконтинент кряжа Карпинского, Чапаевская островная дуга и др. [10].

Закрытие древнего океана в девонское время завершилось коллизией между отдельными террейнами.

В пределах рассматриваемой территории произошла коллизия между микроконтинентом кряжа Карпинского и Чапаевской островной дугой (вероятно, последняя включала в себя Астраханский свод). Островная дуга была обдуцирована на микроконтинент кряжа Карпинского. Под тяжестью девонских покровов инициировались процессы прогибания территории кряжа Карпинского, что привело к формированию здесь миогеосинклинали.

Приподнятые блоки Воронежской антеклизы служили источником сноса терригенно-карбонатного материала в девон-верхнекаменноугольный период, усиливая прогибание миогеосинклинали.

Смыкание Кумо-Тюленевской островной дуги, располагавшейся на то время южнее микроконтинента кряжа Карпинского, с самим микроконтинентом, должно было привести к формированию орогенной складчатой системы в пределах кряжа Карпинского и КСЗП.

Процесс коллизии сопровождался внедрением гранитных интрузий (наличие палеозойских гранитов отмечено в пределах Тюленевского вала) и диапировой складчатостью. Гранитный вулканизм, согласно [10], связан с прекращением горизонтальных и началом формирования складчато-глыбовых вертикальных тектонических подвижек, воздыманием южного борта Прикаспийской впадины и формированием Астраханского свода.

Выявленное по сейсмическим данным расслоение поверхности нижней коры в пределах КСЗП позволило предложить другое объяснение формирования кряжа Карпинского и КСЗП [11, 12].

Согласно этой концепции предполагается, что присоединение Кумо-Тюленевского микроконтинента к микроконтиненту кряжа Карпинского произошло в более раннее, возможно в раннедевонское либо ордовик-силурийское время.

В девоне-карбоне между микроконтинентом кряжа Карпинского и Чапаевской островной дугой существовал океан. В зоне субдукции океанической плиты под Чапаевскую островную дугу формировалась аккреционная призма. Близость береговой линии, а также относительно высокое гипсометрическое положение Воронежской антеклизы обеспечивали обильный снос континентальных осадков в пределы аккреционной призмы.

На ранней стадии столкновения микроконтинента кряжа Карпинского и островной дуги происходит резкое замедление сближающихся плит и блокировка верхнего «хрупкого» слоя коры набегающего континента. При этом мантийная часть литосферы продолжает своё движение и субдукцию под действием сил волочения и «тяги». Этот этап тектонического развития характеризует начало коллизионной стадии сталкивающихся плит.

В коллизионную стадию произошло «выдавливание» аккреционной призмы на микроконтинент кряжа Карпинского и формирование здесь складчатой системы.

Орогении способствовал резкий подъём микроконтинента кряжа Карпинского. Возможно, что механизмом, обеспечившим подъём микроконтинента, был отрыв слэба, прикрепившегося в момент коллизии микроконтинентов кряжа Карпинского и Кумо-Тюленевской островной дуги.

Формирование орогена кряжа Карпинского сопровождалось образованием предгорного прогиба в районе современной КСЗП и накоплением в последнем большого количества осадков. Вследствие значимых внутриплитных напряжений сформировалась сбросонадвиговая структура КСЗП, осложнённая надвигообразованием складчатого основания кряжа Карпинского.

Существует вероятность формирования внутрикоровой складчатости, наблюдаемой в толще кристаллического фундамента Астраханского свода и КСЗП, под действием коллизионных сил [1].

По мере накопления новых данных о строении и особенностях развития данной территории выявился ряд существенных недостатков в рассматриваемой концепции.

В пределах древней зоны субдукции и последующей коллизии (кряж Карпинского, КСЗП и южная периферия Астраханского свода) должна была существовать зона с активным вулканизмом. В этом случае палеозойские гранитоиды, вскрытые бурением глубоких скважин, должны иметь тип I и 8 , характерный для зон субдукции и коллизии [13].

По данным бурения, в толще вскрытых отложений Донбасса вулканогенные формации сложены в основном порфиритами (палеоандезитами), которые характеризуются в большей части щелочным, реже кислым составом [14].

В девонских отложениях рифтовой системы кряжа Карпинского обнаружены мелкие массивы и дайки щелочных базитов и ультрабазитов [15].

Вскрытые бурением в пределах Астраханского свода нижнедевон-силурийские туфогенные породы характерны для внутриконтинентального вулканизма (скв. Д-2).

Таким образом, состав магматических пород свидетельствует о возможной внутриконти-нентальной природе палеозойского магматизма, свойственного территориям, значительно удалённым от зон коллизии и субдукции.

Можно предположить, что выявленные в пределах КСЗП и Астраханского свода внутрикоро-вые неоднородности возникли в процессе коллизии. Такая модель [1] предполагает механизм авто-серпентинизации интрудированных базальтов. Для реализации этого механизма значительные объ-

ёмы воды могли быть получены в результате дегидратации «затягиваемой» под Астраханский свод океанической плиты. В результате автосерпентинизации внутрикоровые диапиры должны были принять преимущественно серпентинитовый состав и в конечном итоге обладать отрицательной (либо незначительной положительной) избыточной плотностью. На самом деле внутрикоровые неоднородности характеризуются значительной положительной избыточной плотностью.

Проявлением слэба в сейсмическом волновом поле является наличие отражателей, уходящих в глубь верхней мантии. Полученные новые данные показывают, что отражатели, наблюдаемые в сейсмическом волновом поле, лишь на юге территории под крутым углом уходят в верхнюю мантию. Далее, на север, их наклон резко меняется. Здесь отражатели прослеживаются в виде цуга колебаний, субпараллельных поверхности М.

Таким образом, накопленный геолого-геофизический материал показывает, что субдукци-онно-коллизионная модель сталкивается со значительными трудностями при объяснении наблюдаемых явлений.

Альтернативной концепцией формирования зоны сочленения является гипотеза о внутри-континентальной природе Донбасс-Туаркырской рифтовой системы [6, 16].

Модель возникновения миогеосинклинали в процессе синкопрессионного сжатия может быть реализована под действием горизонтальных сил. Причиной синкомприссионного сжатия могут служить горизонтальные силы, возникшие под действием листрического сброса - «датейч-мент» [17]. Отображением последнего могут служить выявленные отражатели, лопатообразно простирающиеся от кряжа Карпинского в направлении к центральной части Астраханского свода.

Предполагается среднедевонско-каменноугольное время развития внутриконтинентально-го рифтинга. Формируемая миогеосинклиналь по мере заполнения осадками испытывает значительное прогибание на фоне сил сжатия. За счёт интенсивного наполнения осадочными породами глубокой миогеосинклинали, метаморфизации и гранитизации нижней части осадочного чехла происходило утолщение литосферы. Силы синкомпрессионного сжатия приводили к вдавливанию коры в толщу верхней мантии и прогибанию литосферы.

«Затягивание» в рифтовую впадину осадочного чехла сопредельных территорий могли инициировать растягивающие напряжения в пределах Астраханского свода. Возможно, что под действием этих сил часть карбонатной плиты была отколота от Астраханского карбонатного массива и привнесена в пределы современной территории КСЗП.

Под действием горизонтальных сил сжатия, действовавших на земную кору, в пределах развивающейся миогеосинклинали происходит смятие пород в складки. Следствием сил сжатия является формирование орогена кряжа Карпинского и предгорного прогиба в пределах современной КСЗП. Растущий ороген осложняется развитием листрического сброса в низах коры в предкунгурское (либо раннекунгурское) время. В соответствии с моделью внутриконтинен-тального рифтогенеза, предложенной Б. Вернике [18], происходит надвигообразование складчатого основания кряжа Карпинского на территорию КСЗП, а также проявление в её пределах сбросо-надвиговых дислокаций.

В пределах кряжа Карпинского, в процессе развития миогеосинклинали, происходит вдавливание нижнекорового вещества в мантию, а также его отток в направлении к Астраханскому своду. Эти процессы способствовали проявлению в зоне сочленения внутрикорового диапириз-ма и базитового состава складок.

В то же время над апикальными частями внутрикоровых диапиров по данным электроразведки [7], наблюдается резкое повышение электропроводности, что может свидетельствовать о наличии серпентинитов.

Такие особенности физических свойств внутрикоровых диапиров могут быть объяснены их двухстадийным развитием [1, 7]. На первой стадии возникают внутрикоровые диапиры - как результат внедрения базитовых нижнекоровых масс в толщу кристаллического фундамента. На второй стадии, возможно в предъюрское время, развиваются процессы автосерпентинизации апикальных частей внутрикоровых диапиров. Этот процесс охватывает не весь внутрикоровый диапир, а только его верхнюю, сравнительно незначительную часть из-за отсутствия достаточного количества водных флюидов.

Развитию процессов автосерпентинизации могло способствовать:

— накопление достаточно мощной толщи осадочного чехла и создание необходимого давления для реализации крипа внутрикорового диапира (порядка 0,2 ГПа);

— повышение температуры за счёт активизации внутриплитных сил сжатия (киммерийская эпоха складчатости), активизация действия ротационных сил;

— значимые тангенциальные напряжения, проявившиеся в киммерийскую эпоху складчатости, подтверждаются проявлением в верхнепермско-триасовых отложениях структур типа «щит черепахи», наличием козырьков и соляных перешейков, перекрывающих средневерхнетриасовые отложения, и т. д.;

— накопление агрессивных флюидов в сводовых зонах внутрикоровых диапиров.

Таким образом, с позиций внутриконтинентального рифтогенеза можно объяснить

особенности геологического строения кряжа Карпинского, КСЗП и Астраханского свода, выявленные по результатам современных геолого-геофизических наблюдений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бродский А. Я., Пыхалов В. В. Модель формирования зон повышенной трещиноватости в палеозойских отложениях Астраханского свода // Недра Поволжья и Прикаспия. - 2006. - Вып. 47. - С. 16-23.

2. Бродский А. Я., Воронин Н. И., Миталев И. А. Модель глубинного строения зоны сочленения кряжа Карпинского и Астраханского свода // Отечественная геология. - 1994. - № 4. - С. 50-53.

3. Некоторые особенности глубинного строения Астраханского свода / А. Я. Бродский, В. А. Григоров, А. Ф. Ильин, Ю. И. Круглов // Геология, бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений. - 2000. - № 1. - С. 3-9.

4. Шаров В. И. Разломы и природа сейсмических границ в разрезе континентальной коры // Сов. геология. - 1989. - № 1. - С. 112-120.

5. Трофимов В. А. Глубинные сейсмические исследования МОВ-ОГТ на геотраверсе Татсейс-2003, пересекающем Волго-Уральскую нефтегазоносную провинцию // Геотектоника. - 2006. - № 4. - С. 3-20.

6. Природа Северо-Каспийской гравитационной аномалии / В. И. Сегалович, Ю. А. Волож, М. П. Антипов, О. А. Васильев // Геотектоника. - 2007. - № 3. - С. 30-45.

7. Пыхалов В. В., Бродский А. Я. Возможная природа внутрикоровых неоднородностей Астраханского свода // Недра Поволжья и Прикаспия. - 2007. - Вып. 50. - С. 47-54.

8. Павленкова Н. И. Развитие представлений о сейсмических моделях кристаллического фундамента // Геофизика. - 1996. - № 4. - С. 11-19.

9. Милановский Е. Е. Рифтогенез в истории земли: Рифтогенез на древних платформах. - М.: Недра, 1983. - 280 с.

10. Бражников О. Г. Прогноз нефтегазоносности подвижных литосферных блоков. - М.: Недра, 1997. - 252 с.

11. Бродский А. Я., Григоров В. А., Токман А. К. Геодинамическая модель глубинного строения зоны сочленения кряжа Карпинского и Прикаспийской впадины // Тр. АстраханьНИПИгаз. - 2001. - Вып. 5. - С. 23-26.

12. Бродский А. Я., Козин Н. Н. Разрывы тектоники подсолевых отложений Астраханского свода и освоение нефтяных и газоконденсатных месторождений // Тр. АстраханьНИПИгаз. - 2005. - Вып. 7. - С. 21-23.

13. Хаин В. Е. Основные проблемы современной геологии. - М.: Науч. мир, 2003. -348 с.

14. Геология СССР. Ростовская, Волгоградская, Астраханская области, Калмыцкая АССР. - М.: Недра, 1970. - 667 с.

15. Региональная геология и нефтегазоносность Каспийского моря / И. Ф. Глумов, Я. П. Маловицкий, А. А. Новиков, Б. В. Сенин. - М.: Недра, 2004. - 342 с.

16. Строение кряжа Карпинского / Ю. А. Волож, М. П. Антипов, Ю. Г. Леонов и др. // Геотектоника. -1999. - № 1. - С. 28-43.

17. Лобковский Л. И., Никишин А. М., Хаин В. Е. Современные проблемы геотектоники и геодинамики. -М.: Науч. мир, 2004. - 609 с.

18. Wernike B. Uniformsense simple shear of the continental lithosphere // Canad. J. Earth. Sei. - 1985. - Vol. 22. -P. 108-125.

Статья поступила в редакцию 21.10.2008

NEW DATA ON GEODYNAMIC FEATURES OF THE FORMATION OF KARPINSKY RANGE

V. V. Pykhalov

Generalization of the geological-geophysical data received in last ten years, shows that a deep structure of the territory of Karpinsky range, raising zones of Karakulsko-Smushkovska and the Astrakhan arch is more difficult than it was supposed earlier. The new data critically allow to approach to already available conceptions about the character of groove processes (active or passive) happened in the zone of south-west coupling of Prikaspiyskaya cavity and the Scythian plate. The analysis of the geological-geophysical data shows that the model of passive Devonian-Carbon grooving in the greater degree answers observably features in a deep structure of the earth crust and the top mantle within the limits of the considered territory.

Key words: Karpinsky range, Karakulsko-Smushkovskaya raisings, Astrakhan arch, grooving.