Глубинное строение Карской кольцевой структуры

Известия Коми научного центра УрО РАН Выпуск 4. Сыктывкар, 2010.

ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 550.083

ГЛУБИННОЕ СТРОЕНИЕ КАРСКОЙ КОЛЬЦЕВОЙ СТРУКТУРЫ

В.В. УДОРАТИН, Н.В. КОНАНОВА, И.В. ПОПОВ

Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, г.Сыктывкар udoratin@seo.komisc.ru

Представлены результаты глубинных сейсмологических исследований и интерпретации гравиметрических данных Карской кольцевой структуры. Выявлены особенности ее глубинного строения и границы основных структурно-вещественных комплексов и подкомплексов земной коры и верхней мантии -сланцевого (граница Ф0), гранито-гнейсового (граница Ф), диорито-гнейсового (граница К1, граница К2) и гранулито-базитового (граница К3). Выявленные особенности глубинного строения исследуемой территории Карской кольцевой структуры позволяют нам заключить, что ее происхождение связано с падением крупного метеорита, затронувшего осадочный чехол и консолидированную земною кору до глубин порядка 20-25 км.

Ключевые слова: глубинное строение, сейсмологические исследования, гравитационное зондирование, Карская кольцевая структура

V.V.UDORATIN, N.V.KONANOVA, I.V.POPOV. DEEP STRUCTURE OF THE KARA RING STRUCTURE

The results of deep seismological investigations and gravity field interpretation of Kara ring structure are presented. The features of its deep structure and deep boundaries of the Eearth crust and upper mantle structural-material complexes and subcomplexes - shale (the boundary of F0), granite-gneiss (the boundary of F), diorite-gneiss (boundaries K1, K2) and granulite-basite (the boundary of K3) are revealed. Revealed features of the deep structure of the Kara ring structure allow to conclude that its origin is connected with the fall of a large meteorite that affected the sedimentary cover and the consolidated Earth's crust to depths of about 25 km.

Key words: deep structure, seismological investigations, gravitational sensing, Kara ring structure

Введение

Карская кольцевая структура расположена в пределах Югорского п-ова. Большинство исследователей считают, что она возникла в результате им-пактного события, вызванного падением крупного астероида, однако существует мнение и о ее текто-номагматической природе. Геофизические работы, проведенные ранее в регионе, рассматривали строение структуры до глубин 14 км. На соответствующих сейсмических разрезах эта кольцевая структура выражена в виде зоны полной потери корреляции волн в ее центральной части и резкого подъема отражающих горизонтов в пределах обрамления.

Нами на изучаемом объекте впервые выполнены глубинные геофизические исследования с помощью метода обменных волн от землетрясений. На этой основе проведена переинтерпретация гравиметрических данных и получены новые результаты, характеризующие структурные и тектонические особенности глубинных уровней Карской кольцевой структуры.

Краткий геотектонический очерк

Югорский п-ов находится на северо-востоке европейской части России и в тектоническом плане охватывает три структуры первого порядка: Коро-таихинскую впадину, Пайхойское поднятие, Карскую впадину, представляя собой одновременно две надпорядковые структуры - северную часть Предуральского краевого прогиба и южную часть Пайхойско-Новоземельской складчатой области [1].

Пайхойское поднятие сложено разными формационными комплексами: докембрийского фундамента, шельфовым (карбонатным), батиальным (сланцевым) и орогенным. На северо-западе структуры выходят метаморфизованные эффузив-но-осадочные образования позднего протерозоя. Палеозойские отложения В.И. Устрицкий [2] разделил еще в 1950-х гг. на два литолого-фациальных и структурно-формационных комплекса: преимущественно карбонатный на юго-западном склоне и сланцевый в центральной зоне и на северо-восточном склоне. Позднее В.С. Енокян [3] обосновал их

сопоставление с карбонатным (Елецким) и сланцевым (Лемвинским) комплексами западного склона Полярного Урала, которые первоначально были выделены К.Г. Войновским-Кригером [4]. В.С. Ено-кян присвоил им названия Печорской и Карской структурно-формационных зон Пай-Хоя, соответственно. Печорская структурно-формационная зона отвечает области перикратонного опускания платформы и сложена мелководными образованиями палеошельфа, а Карская - зоне глубокого погружения платформы и сложена относительно глубоководными отложениями континентального склона и подножия [5]. Ранее предполагалось, что отложения глубоководного комплекса формировались на месте и связаны постепенными переходами с толщами карбонатного комплекса. Однако исследования А.И. Елисеева [6] показали отсутствие постепенных переходов и то, что сланцевый комплекс повсеместно имеет тектонические контакты с карбонатными осадками.

Первые модели покровного строения Пай-хойского поднятия представлены в работах Л.Н. Белякова, Б.Я. Дембовского, В.В. Юдина и их коллег [7-12]. В автохтоне они располагают фрагмент Южноновоземельско-Вайгачско-Пайхойского анти-клинория, юго-восточная часть которого почти полностью перекрыта пластиной Карского сланцевого аллохтона.

Карская впадина занимает северо-восточную часть Югорского п-ова и осложнена в центральной части Карской депрессией, или астроб-лемой, которая делит Карскую впадину на две части - восточную и западную. В.С. Енокян [3] рассматривает Карскую впадину, восточный склон Пай-Хоя и Пайхойскую структурно-формационную зону как реликты единой в прошлом геосинклинальной зоны Урала; В.Н. Пучков [5] считает Карскую впадину гомологом Лемвинской зоны; Ф.И. Ен-цова [13] утверждает, что в ее восточной части развиты терригенные формации палеозоя, которые они трактуют как миогеосинклинальные, а в западной - орогенный комплекс перми, залегающий с размывом на платформенных карбонатных отложениях нижнего и среднего карбона. В.В. Юдиным и его соавторами [14] Карская впадина рассматривается как крыло моновергентного шарьяж-антиклинория, которое подстилается батиальным комплексом палеозоя. Карская депрессия (астроблема) расположена в центральной части Карской впадины. Возраст этой структуры по уточненным данным Б.А.Малькова, В.Л.Андреичева отвечает концу палеоцена [15]. По вопросу о происхождении Карской депрессии единого мнения среди геологов до сих пор нет. Сначала ее трактовали как вулкано-тектоническую депрессию, в настоящее время большинство исследователей считают ее астроблемой.

Результаты исследований

Сейсмические исследования методом обменных волн землетрясений (МОВЗ) в районе Карской кольцевой структуры вдоль линии профиля, который имеет северо-восточное направление и протяженность около 30 км (рис. 1 [16]), были проведены сотрудниками Института геологии Коми НЦ УрО РАН во время полевого сезона 2007 г. [17].

Рис.1. Фрагмент тектонической карты Печорской плиты (по: [16]).

ПН1-ПН4 - пункты сейсмологических наблюдений, 150-159 - пункты гравиметрических наблюдений.

Глубинные сейсмические исследования, а также результаты гравитационного моделирования дали возможность осуществить структурные построения, характеризующие глубокие горизонты земной коры и верхней мантии (рис. 2, 3).

Сейсмическая модель. Верхняя мантия представлена в виде серии крупных породных комплексов мощностью 10-15 км. Выделенные нами обменные волны с временами запаздывания более 6 с позволяют уверенно прослеживать в верхней мантии фрагментарные границы обмена, которые указывают на изменение структурных особенностей среды. На всех пунктах наблюдения отмечаются площадки на глубинах 100,5-103 км, что позволяет нам объединить их в единую границу, отождествляемую с границей «И». На глубине 82-84 км также можно уверенно выделить границу обмена. Кроме этих границ в верхней мантии отмечаются отдельные площадки на глубинах 95-95,5; 72-72,7; 68,369,8; 64,5; 58-58,4 км. Неравномерное распределение площадок обмена в пространстве не позволяет их объединять в общие границы.

Работами МОВЗ в верхней мантии отмечается четко выраженный в волновом поле сейсмический горизонт, находящийся на 7-8 км глубже ее кровли, в рельефе повторяющий поверхность Мо-хо. Эта граница зачастую в волновом поле проявляется даже лучше, чем поверхность Мохоровичи-ча. Она является одним из горизонтов в переходной зоне земная кора - верхняя мантия (М1). Граница М1 погружается от Пай-Хоя в сторону Карского моря с 50,3 до 52,7 км. Средние скорости в верхней мантии в пределах изучаемой территории имеют значения 8,0-8,2.

Граница Мохо, в пределах профиля, залегает на глубинах 42,7-44,7 км, незначительно погружаясь на северо-восток от Пай-Хоя к Карской впадине. Внутренняя структура земной коры выше границы М неоднородна, она разделяется как отчетливыми, так и невыразительными сейсмическими границами, не имеющими повсеместного распространения. Так, восточный блок, относящийся к Карской впадине, характеризуется большим числом выразительных обменных площадок. В консолидированной части земной коры нами выделяются границы К3, К2 и К1. Горизонт КЗ прослеживается на всех

Рис. 2. Глубинный геолого-геофизический разрез через Карскую кольцевую структуру.

1 - границы в осадочном чехле: а - по данным Метода общей глубинной точки (МОГТ), б - по данным МОВЗ; 2 - границы в консолидированной коре по данным МОВЗ; 3 - средние скорости продольных и поперечных волн.

пунктах наблюдения и аналогично поверхности М погружается в сторону Карской впадины с 36 до 39 км, при этом мощность слоя сокращается.

Если нижняя часть консолидированной земной коры выдержана по простиранию, и границы прослеживаются уверенно и трассируются на всех пунктах наблюдения, то в ее верхней части горизонты выделяются фрагментарно, что говорит о различной степени вертикальной расслоенности. Границу в верхней части консолидированной коры К1 можно проследить вдоль всего профиля исследования. В его северо-восточной части она испытывает резкое погружение, что дает нам основание для выделения в этом районе на глубинах 25-28 км разломной зоны, которая, вероятно, прослеживается выше по разрезу и в осадочном чехле.

При рассмотрении и привязке границ в осадочном чехле нами использовались данные ранее проведенных в этом районе сейс-моразведочных работ МОГТ. Кольцевая структура четко отражается в волновых полях. При этом хорошо виден резкий подъем границ осадочного чехла Карской впадины в районе кольцевой структуры, и очень сложная картина характеризует зону сочленения Карской впадины и Пай-Хоя. Осадочный чехол в пределах Карской впадины в районе исследований, по данным сейсморазведочных работ, имеет мощность порядка 13-14 км. Нами на глубине 14,7 км также выделятся граница обмена, сопряженная с кровлей рифейско-вендского промежуточного комплекса. В разрезе осадочного чехла отмечается ряд границ, которые сложно трассировать и отождествить с каким-либо одним горизонтом. Надежно, с наибольшим числом повторов обменных волн выделяется некая граница на глубине 3,6-3,8 км. Если в пределах Карской впадины -это, скорее всего, подошва пермских отложений, то в Карской кольцевой структуре обменные площадки можно связать с интрузивными телами.

Гравитационная модель (рис. 3). Первая гравиактивная граница с аномальной плотностью

3

100 кг/м , ассоциируемая нами с поверхностью сланцевого комплекса рифейского фундамента

Рис. 3. Геоплотностная модель земной коры района Карской кольцевой структуры.

1 - линия профиля с пикетами (пк) гравиметрических (пк через 1 км) точек наблюдения; 2 - значения эффективной плотности; 3 - внутреннее строение Карской структуры: а - уплотненные, б - разуплотненные породы; 4 - верхнепротерозойский сланцевый комплекс; 5 - гранито-гнейсовый слой: а - уплотненные, б - разуплотненные породы; 6 - диорито-гнейсовый слой: а - уплотненные, б - разуплотненные породы; 7 - гранулито-базитовый слой; 8 -основные геоплотностные границы (а) и разломы (б).

зойского кристалли-

(Ф0), располагается в западной части гравиметри- ческого фундамента в пределах Карской структуры ческого профиля на глубине 5-8 км, а в северо- оказалось весьма затруднено и потребовало спе-восточной его части по мере приближения к побе- циальных исследований, в результате которых на-

режью Карского моря она не прослеживается из-за достаточно резкого погружения до глубины 11-14 км, где плот-ностные параметры рифейских и архей-скораннепротерозой-ских пород становятся практически одинаковыми. Плотность сланцевых пород исследуемого региона

3

достигает 2700 кг/м , а в пределах Карской кольцевой структуры (астроблемы) варьи-

3

рует от 2600 кг/м в периферической части структуры до 2720

3

кг/м в ее центральной части. Степень дифференциации по плотности пород низов осадочного чехла в районе Карской кольцевой структуры уменьшается, а плотность пород максимальна в ее центре. В северо-восточной части гравиметрического профиля поверхность рифейско-го фундамента (Ф0) по гравиметрическим данным не прослеживается, а на глубине 5,5 км, вероятно, фиксируется поверхность сланцевого батиального комплекса Карской струк-турно-формационной зоны Пай-Хоя, обладающего более высокими плотностны-ми характеристиками.

Вторая грави-активная граница с аномальной плотностью ±130-30 кг/м , отождествляемая нами с поверхностью консолидированной коры (Ф), находится на глубине от 11 до 14 км. Прослеживание ар-хейско-раннепротеро-

ми получены новые сведения о его глубинном строении. Эта поверхность по данным интерпретации гравиметрического поля имеет в пределах Карской кольцевой структуры вид изометрической депрессии (впадины), глубина которой составляет около 3,5 км. В сторону Карского моря и Байдарац-кой губы степень дифференциации по плотности пород кристаллического фундамента увеличивается, также в этом направлении возрастает и плотность пород гранито-гнейсового слоя. Внутри гра-нито-гнейсового слоя никаких гравиактивных границ больше не обнаружено. Наибольшая толщина гранито-гнейсового подкомплекса (до 8 км) фиксируется в районе Пайхойского антиклинория, а ее резкое утонение до 2 км происходит в пределах исследуемой структуры. Наименьшие значения

3

(2660-2670 кг/м ) плотности гранито-гнейсового слоя отмечены под эпицентральной частью Карской кольцевой структуры (астроблемы) и под Пай-Хоем, наибольшие - по мере приближения к Бай-дарацкому глубинному разлому. Расположение областей разуплотненных пород данного структурно-вещественного подкомплекса в разрезе совпадает с блоками отсутствия границ обмена на сейсмологическом профиле.

Следующая гравиактивная граница с ано-

3

мальной плотностью 50-120 кг/м , отождествляемая нами с кровлей диоритово-гнейсового подкомплекса (подошвой гранито-гнейсового подкомплекса), наблюдается по гравиметрическим данным на глубине 17-18 км. Диорито-гнейсовый структурно-вещественный подкомплекс верхней коры не имеет перерывов сплошности своего распространения в пределах исследуемой территории, наоборот, по мощности слагающих его отложений он имеет сдвоенный разрез. Наиболее приближен к поверхности данный комплекс в пределах Карской впадины, наименее - Пай-Хойского антиклинория. Внутри диоритового слоя прослеживается еще одна гравиактивная граница инверсионного характера под Пай-Хойским шарьяж-антиклинорием и не инверсионного - под Карской впадиной. Влияние Карской аст-роблемы на особенности строения комплекса мы уже не наблюдаем. Глубина залегания кровли диорито-гнейсового слоя составляет 18,5 км под Пай-Хоем и 17 км - Карской впадиной. Минимальные (до 2820

3

кг/м ) значения плотности пород данного комплекса фиксируются в районе Карской впадины.

Кровля гранулито-базитового структурно-вещественного комплекса является наиболее «капризной» гравиактивной границей с точки зрения неоднозначности геологической интерпретации гравиметрического поля, поэтому ее характеристики следует принимать с определенной степенью условности. Кровля гнейсо-гранулитового слоя залегает на глубине 36,5 км по гравиметрическим данным в районе Пай-Хойского поднятия, а в районе Карского прогиба - на глубине 39,5 км.

Поверхность Мохоровичича по гравиметрическим данным залегает в пределах исследуемой территории на глубине 41,6-46,6 км. Максимальный (до 41,6 км) подъем данной поверхности наблюдается в пределах Пай-Хойского антиклино-рия, а наиболее погружена поверхность Мохо (до

46,6 км) в пределах Карской впадины. Имеется тенденция ее подъема в сторону Карского моря.

Заключение

Результаты интерпретации геофизических данных свидетельствуют о том, что в пределах сложно построенной Карской кольцевой структуры нам удалось обнаружить глубинные границы всех основных структурно-вещественных комплексов и подкомплексов земной коры и верхней мантии -сланцевого (граница Ф0), гранито-гнейсового (граница Ф), диорито-гнейсового (граница К1, граница К2) и гранулито-базитового (граница К3). Сопоставление сейсмического и плотностного разрезов показали хорошую сходимость результатов. Глубина залегания и рельеф поверхности Мохоровичича и вышележащего горизонта КЗ полностью совпадают по данным обоих методов. Наилучшим образом характер глубинного строения Карской кольцевой структуры выражен на глубине от 4.6 до 14.6 км. Влияние кольцевой структуры на глубинное геологическое строение исследуемой территории ограничивается интервалом глубин в 20-25 км.

Выявленные особенности глубинного строения территории Карской кольцевой структуры позволяют нам вслед за многими исследователями заключить, что вероятнее всего, ее происхождение связано с падением крупного астероида, затронувшего осадочный чехол и консолидированную земную кору до глубин порядка 25 км, поскольку никаких следов присутствия глубинных очагов частичного плавления горных пород и каналов поставки глубинного вещества в нижних этажах земной коры и в верхней мантии нами не обнаружено.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта № 09-Т-5-1022 Программы фундаментальных исследований Отделения наук о Земле РАН №9.

Литература

1. Структура платформенного чехла Европейского Севера СССР / Под ред. В.А.Дедеева. Л.: Наука, 1982. 200 с.

2. Устрицкий В.И. О соотношении Урала, Пай-Хоя, Новой Земли и Таймыра // Геотектоника, 1985. №1. С. 51-61.

3. Енокян В.С. Палеозойские отложения и история геологического развития западного Пай-Хоя и острова Вайгач: Автореф. дис. канд. геол.-минерал. наук. М.: МГРИ, 1971. 26 с.

4. Геология СССР. T.II. Ч.1. Геологическое строение. Архангельская, Вологодская области и Коми АССР / Гл. ред. А.В. Сидоренко. М.: Госгеолтехиздат, 1963.1079 с.

6. Осадочные формации Пай-Хоя и перспективы их рудоносности / А.И.Елисеев, Я.Э.Юдович, А.А. Беляев и др. Сыктывкар, 1984. 50 с. (Сер. препринтов сообщ. "Науч. рекоменд. - нар. хозяйству" / АН СССР. Коми фил.; вып. 48).

7. Беляков Л.Н., Дембовский БЯ. Некоторые особенности тектоники севера Урала и Пай-Хоя // Геотектоника, 1984. №2. С. 51-57.

8. Дембовский Б.Я. Структурно-формационная зональность и покровы Полярного Урала и Пай-Хоя: Автореф. дис. канд. геол.-мине-рал. наук. М., 1985. 22 с.

9. Особенности дизъюнктивной тектоники севера Урала в свете новейших геолого-геофизических данных / Б.И.Тарбаев, Л.Н.Беляков, А.С. Воинов и др. // Метаморфизм и тектоника западных зон Урала. Свердловск, 1984. C. 126-134.

10. Покровное строение Пай-Хоя / Л.Н. Беляков, Б.Я. Дембовский, Н.В. Кишка и др. // ДАН СССР. 1985. Т. 282, №1. С. 151-154.

11. Юдин В.В. Орогенез севера Урала и Пай-Хоя. Екатеринбург: "Наука", 1994. 283 с.

12. Юдин В.В., Дедеев ВА. Геодинамическая модель Печорской плиты. Сыктывкар, 1987. 12 с. (Серия препринтов "Науч. докл." / АН СССР. Коми фил; вып. 171).

13. Енцова Ф.И. Тектоническая природа Пай-Хоя и его взаимоотношение с Уралом // Геотектоника, 1981. №1. С. 58-69.

14. Термальный эпигенез палеозойских отложений Пай-Хоя / А.А. Беляев, А.А. Иевлев,

В.В. Юдин и др. Сыктывкар,1989. 24 с. (Сер. препринтов "Науч. докл." / Коми научный центр УрО АН СССР; вып. 224.).

15. Мальков БА., Андреичев В.Л. Алмазаносные тагамиты Карской астроблемы //Вестник Института геологии Коми научного центра УрО РАН, 2010. №3. С.5-11.

16. Тектоническая карта Печорской плиты (Ти-мано-Печорской нефтегазоносной провинции) / Гл. ред. В.И. Богацкий, В.А. Дедеев, редакционная коллегия: А.С. Головань, В.И. Громека, Н.И. Лисин, В.Б. Ростовщиков, А.К. Цехмейстрюк, В.В. Юдин, Б.А. Яралов. Сыктывкар, 1985.

17. Физические поля Карской кольцевой структуры и ее окружения / В.В.Удоратин, И.В.Попов, А.Ш.Магомедова, А.Ю.Лысюк, Н.П.Юш-кин // Сыктывкар: Геопринт, 2007. 25 с. (Отчетная серия, №9 (58)).