Emanation and electrical effects in the subsoils atmosphere above Kaluga impact ring structure

РОССИЙСКИЙ ЖУРНАЛ НАУК О ЗЕМЛЕ, ТОМ 1, N 6, НОЯБРЬ 1999

Эманационные и электрические эффекты в атмосфере подпочв над Калужской импактной кольцевой структурой

Н. С. Козлова, В. П. Рудаков, В. Н. Шулейкин, Г. И. Войтов,

Л. В. Баранова

Институт физики Земли РАН

Аннотация. На примере Калужской кольцевой структуры рассмотрены результаты эманационной (водород-тороновой) съемки и съемки нестабильностей электрического поля приземной тропосферы, обусловленные ионизацией приземной атмосферы энергией радиоактивного распада радона и торона, эманирующих с земной поверхности. Показано, что в рассматриваемых полях проявляется как тектоническое строение собственно кольцевой структуры, так и разломов, формирующих тектонический план северо-западной части Русской плиты. И те, и другие являются путями концентрированных разгрузок природных газов с глубин в область их стока - приземную тропосферу и соответствующего выноса последними аномальных концентраций радона.

Введение

Эманационная (водород-тороновая) съемка и съемка приземного электрического поля позволяют решать задачи локализации аномального тепломассо-переноса летучих от пород кристаллического основания, залежей нефти и газа, месторождений радиоактивных руд, черных и цветных металлов, мониторинга и т.д. Помимо прямых поисков радиоактивных оруденений эманации урана и тория можно использовать как чувствительные трассеры мест локализации интенсивного массопереноса природных газов к областям стока последних - приземной атмосфере.

Процессы поисков последних можно существенно интенсифицировать использованием мобильных методов измерений приземного электрического поля, в котором отражаются интенсивные стоки в приземную атмосферу радона, торона и антинона -мощных ионизаторов последней. В предлагаемой работе использованием указанного комплекса делается попытка тектонического расчленения скрытой под 1000-метровым комплексом осадочных пород Калужской импактной кольцевой структуры, про-

©1999 Российский журнал наук о Земле.

Статья N КЛЕ99027.

Онлайновая версия этой статьи опубликована 25 декабря 1999. 1ЖЬ: Ы^р://eos.wdcb.rssi.ru/rjes/RJE99027/RJE99027.htm

являющейся в современном повышенном тепловом потоке, газовом субвертпкальном и гидрохимическом потоках.

1. Тектоническое положение кольцевой структуры

Калужская кольцевая структура (координаты центральной части 54°40' с.ш. и 36°07' в.д.) представляет собой округлую впадину, врезанную в породы кристаллического основания на глубину до 500 м, с диаметром 15-17 км. Впадина заполнена аллогенной брекчией и зювитами мощностью до 90 м, обломками осадочных и кристаллических пород, перекрытых терригенно-карбонатными отложениями венда, пяр-нусских и морсовско-мосоловских слоев наровского горизонта среднего девона и нижнего карбона общей мощностью свыше 1000 м. В центральной части впадины вырисовывается (рис. 1) характерное для импактных струтур поднятие с 200-метровым превышением над ее дном и кольцевой цокольный вал шириной до 3,5 км [Масайтис, 1974; Маракушев, 1981; Петров, 1969, 1971].

Структура расположена на северо-западной пери-клинали Воронежской антеклизы в узле сочленения четырех неоактивных глубинных разломов, первый из которых тяготеет к северной части кольцевой структуры. По геолого-геофизическим данным этот разлом трассирует перикратонное опускание вмеща-

ющих кольцевую структуру осадочных пород. Два других разлома (запад-северо-западный Калужско-Вельский и север-северо-восточный Рыльско-Кимр-ский) образуют тектоиопару рифейского заложения, активизированную в фанерозое. Эти разломы контролируют многие локальные структуры платформенного чехла, проявления палеозойского вулканизма, эндогенной минерализации и современной флюидной активности центральной части Русской плиты. Наконец, четвертый разлом, протягивающийся субмеридионально от Курска к Калуге и Твери, является фрагментом Азово-Онежского тектонического линеамента. Он отражается в геофизических и геохимических (в том числе в эманацион-ных) полях, водно-гелиевых аномалиях и неотекто-нической активности [Петров, 1971].

На фоне относительно слабой геодинамической активности Русской плиты район заложения Калужской кольцевой структуры (и собственно последняя) характеризуется повышенной тектонической расчлененностью и геодинамической активностью недр, самоизливом водно-газовых систем с повышенной гелиеносностью из скважин, локализованных в узлах сочленения кольцевых разломов с линеаментами, определяющими тектонический план северо-западной части Русской плиты. В структуре бурением выделено [Петров, 1969] три системы кольцевых разломов диаметрами 12-14, 22-26 и 36-40 км, причем внутренний из них состоит из двух субпараллель-ных разрывов [Петров, 1971], по которым центральная часть структуры (Камельгинская мульда) опущена, а архейско-нижнепротерозойский фундамент с внешней стороны структуры приподнят на 150— 200 м, образуя кольцевой вал. К южной части кольцевой структуры примыкает узкий блок, опущенный на 270-280 м.

2. Несколько слов о природе Калужской кольцевой структуры

Существуют различные мнения о природе Калужской кольцевой структуры. В. Г. Петров [Петров, 1969, 1971], используя геолого-геофизические данные и данные бурения, приходит к выводу о каледонском времени ее заложения в вулканическом процессе, сопровождавшем образование разрывных тектонических структур двух направлений. Однако такой механизм образования кольцевой структуры находится в явном противоречии, в первую очередь, с исключительно гранитной и гранито-гнейсовой брекчией заполнения впадины, врезанной в граниты и гранито-гнейсы кристаллического основания, и явным отсутствием всяких признаков про-

явления глубинных пород основного состава. Напротив, В. Л. Масайтис [Масайтис, 1974, 1975], ссылаясь на результаты микроскопических исследований шлифов брекчий кристаллических сланцев и гранито-гнейсов, обычно раздробленных и ката-клазированных с диаплетовым кварцем и плагиоклазом, а также двойников с двупреломлением, смятым биотитом и другими признаками ударного воздействия на среду, классифицирует Калужскую кольцевую структуру как импактное образование. Судя по диаметру (15-17 км) впадины (вреза в породы кристаллического основания), диаметр каменной астроблемы1 (ударника) мог составить около 1,5 км, а выделившаяся в виде отдельного импульса энергия при столкновении ударника с мишенью при средних для таких астроблем скоростях (порядка 30 км/с) составляет величину порядка 1026-1027 эрг [Мара-кушев, 1981]. Эта энергия реализуется на преобразование пород ударника и мишени в механические (сжатие и дробление) и тепловые (плавление, испарение) процессы. Если учесть, что мишень в момент удара представляла собой область сочленения разнонаправленных региональных тектонических структур более раннего (каледонского) заложения, то единичный энергетический импульс был равноценен нескольким сотням землетрясений магнитудой 7,0-7,5, который мог окончательно сформировать тектонический план кольцевой структуры. Энергия удара, по-видимому, до сих пор определяет тектонический и водно-газовый режим структуры, проявляющийся в минерализации глубинных водно-газовых систем и их гелиеносности [Пронин и др., 1997].

3. Методика наблюдений и аппаратура

Настоящее сообщение касается эманационных (ра-дон-торон-актиноновых и водородных) и электрических эффектов в атмосфере почв и подпочв и в приземной тропосфере над Калужской кольцевой структурой, обусловленных процессами субвер-тикального массопереноса водно-газовых систем с глубин, максимальные проявления которых сосредотачиваются в зонах тектонических разуплотнений, особенно четко выраженных по периметру внутренней кольцевой структуры и в областях пересечения последней региональными разрывами, определяющими структурно-тектонический план северозападной части Русской плиты.

1 Следует из того, что брекчия заполнения Калужской кольцевой структуры не содержит надфоновых количеств никеля, хрома, серебра и других химических элементов, характерных для железных и железокаменных метеоритов.

КОЗЛОВА И др.: ЭМАНАЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В АТМОСФЕРЕ Таблица 1. Состав газов атмосферы почв и подпочв на профилях 1-1 и П-П

Точка отбора СН4 с2н6 СзЩ І-С4Н10 П-С4Н10 С4Н8 Н2 N2 со2

Профиль 1-І

6 0,0024 0,00002 0,00005 0,00001 0,00005 следы 0,0042 89,3 10,66

7 0,0002 0,00002 0,00002 0,00003 0,00003 следы 0,0010 94,5 5,66

9 0,0002 0,00007 0,00007 0,00003 0,00004 следы 0,0010 95,52 5,30

Профиль 1-І

12 0,0042 0,00002 0,000007 следы нет нет 0,0047 92,69 7,31

13 0,00027 0,00003 0,00003 0,00002 0,00002 следы 0,001 86,06 13,90

р. Угра

5 0,0003 0,00002 0,00002 0,00002 0,00001 0,00002 0,0022 93,76 6,41

Профиль П-П

2 0,0003 0,00037 0,00003 0,00001 0,00014 0,00003 0,001 91,87 7,12

10 0,0041 0,00002 0,00002 0,00002 0,00002 0,00002 0,0057 98,29 1,70

Поскольку радиоактивные газы - радон, торон и актинон имеют [Радон, 1955] малые периоды полураспада (радон - 3,825 суток, торон - 54,5 секунд и актинон 3,92 секунды), а их объемные концентрации на 13-16 порядков меньше объемных концентраций любого из тривиальных газов подземных водно-газовых систем (Н2, СО2, N2, СЩ, гомологов последнего и т.д.), механизм образования повышенных концентраций эксхаляций в атмосфере почв и подпочв в зоне влияния разрывных тектонических структур можно представить следующим. По мере субвертикального подъема водно-газовых систем в зонах повышенной проницаемости горных пород, растворенные в воде газы стремятся обособиться в самостоятельные фазы и в виде отдельных пузырьков начинают двигаться (всплывать) к поверхности. Подъем пузырьков сопровождается падением давления в их объеме и, соответственно, увеличением поверхностей контакта пузырьков с жидкостью, т.е. газовые пузырьки являются природными дегазаторами, куда стекают наряду с другими газами радон, торон и актинон, образующиеся в подземных водно-газовых системах при распаде растворенных в них радия, тория и актиния. В конечном счете с поверхности уровней грунтовых вод

в рыхлые неоген-четвертичные отложения, а также в отложения почв и подпочв поступают обогащенные эманациями природные газы, состав которых для Калужской кольцевой структуры приводится в табл. 1. Заметим, что он мало отличается от состава природных газов кристаллического основания Русской плиты [Войтов, 1990]. Особенно активно такие процессы создают надфоновые концентрации радиоэлементов над геодинамически активными зонами тектонических разуплотнений с корнями в кристаллическом основании плит.

Водородные и эманационные (радон-тороновые) съемки (рис. 1), как и исследования объемного атмосферного электрического поля (АЭП)2, наводимого в приземной тропосфере ионизацией последней распадом радиоэлементов, выполнены летом 1998 г. Измерения водорода и эманаций радона и торона проводились в одном и том же образце газа, отбираемого из атмосферы почв и подпочв. Водород определялся полупроводниковым сенсором на основе Яь ЯЮг-РсА-структуры (чувствительность детектора на

2Выполнены на профилях 1—1 и II—II длиной 20 и 18 км, секущих Калужскую кольцевую структуру и смежные флюидопроницаемые зоны тектонических дроблений

36°07'

Рис. 1. Схематическая карта Калужской кольцевой структуры с нанесенными профилями эманационных и электрических исследований. 1 - а) - известняки, доломиты среднего карбона; б) глины, алевролиты нижнего карбона; 2 - шкала концентраций гелия в подземных водах от 10 мл/л: а) менее 10, б) 10-20, в) 20-40, г) свыше 40; 3 - контуры водно-гелиевых аномалий и концентраций гелия в их эпицентрах в мл/л; 4 - а) - кольцевые и б) линейные активные глубинные разломы. 1-1 и П-П профили наблюдений радона, водорода и АЭП. 0 - точка пересечения наблюдательных профилей.

уровне воздушного кларка водорода - 0,5 х 10-ь объемного процента), а радон и торон - модернизированным радиометром “Радон” (чувствительность 2 Бк/л при использованной методике измерений). Кроме того, из некоторых скважин отобраны образцы атмосферы почв и подпочв для хроматографического определения общего состава газов. Объемный заряд приповерхностной тропосферы, инициированный гамма-полем распада радона и торона3,

измерялся с борта движущегося по профилю автомобиля, оборудованного датчиком атмосферного электрического поля (АЭП) “Поле-2”, установленным на предельно малой высоте от земной поверхности (1020 см). Достоверность электрических измерений подтверждалась 2-3-кратным совпадением величины измеряемого параметра на проходимом маршруте.

объемного заряда приповерхностной тропосферы (-500—600

пар электронов в 1 см3 воздуха) поддерживается 8—10 ци-

3По Дж. Чалмерсу [Чалмерс, 1974] нормальный уровень клами ионизации в см3/с.

4. Обсуждение результатов

Судя по сводным гистограммам рядов распределения концентраций молекулярного водорода и радона в атмосфере почв и подпочв (рис. 2), максимальные потоки этих газов локализованы в тектонически нарушенных структурах, причем водород, обладающий наибольшей теплопроводностью (при 0°С 41, 9 х 10—5 кал/см-сек-град, что в 7,2 раза больше, чем теплопроводность воздуха) и совершенными диффузионными параметрами, позволяющими ему легко перемещаться в пористых средах, может быть активным газом-носителем для радона и торона при их миграции в область стока-отложения почв и подпочв и приземную тропосферу. На большинстве пунктов измерений концентрации молекулярного водорода в пределах кольцевой структуры не выходят за пределы ее фоновых значений на Русской плите [Войтов и др., 1995]. То же касается потоков радона и торона и, по-видимому, актинона. Эти равновесия нарушаются в областях влияния разломов, ограничивающих кольцевую структуру по периметру, и на секущих кольцевую структуру региональных тектонических разломах (например, север-северо-восточном Рыльско-Кимрском разломе, вдоль которого пройден профиль П-П и в долине реки Угры), где концентрации молекулярного водорода и радона в атмосфере почв и подпочв неизмеримо более высокие, чем на других участках профиля. Особенно велики концентрации молекулярного водорода в зонах тектонических разломов, отчленяющих по периметру кольцевую структуру от вмещающих пород. Эти же зоны характеризуются (рис. 3) повышенным содержанием гелия [Пронин и др., 1997] в водах изливающих скважин и источниках минеральных вод и относительно высоким содержанием в составе атмосферы почв и подпочв водорода и углеводородов ряда метана (табл. 1).

Вариации АЭП над Калужской кольцевой структурой представлены на рис. 3, 4. Заметим, что помимо вариаций приземного объемного заряда на текущее значение АЭП влияют изменения метеорологических параметров [Рагкгпзоп, 1958; Pter.se, 1958]. Поэтому для повышения достоверностей результатов наблюдений сокращались как время их проведения, так и длины отдельных маршрутов, что давало возможность проводить повторные наблюдения на выбранных маршрутах. Расчетные коэффициенты корреляции между измеренными значениями эксха-ляций радона и торона и АЭП на профиле 1-1 и П-П составляют 0,87 и 0,37, соответственно. Заметим, что сравнительно низкий коэффициент корреляции параметров на последнем профиле, по-видимому,

Рис. 2. Гистограммы рядов распределения концентраций водорода и радона в образцах атмосфер почв и подпочв, отобранных на профилях 1-1 и П-П Калужской кольцевой структуры.

обусловлен локальными метеорологическими условиями, в частности - турбулентностью приземной тропосферы в период наблюдений.

Выводы

Исходя из изложенного, можно сделать несколько выводов:

а) несомненна глубинная природа молекулярного водорода, проявляющегося в тектонически разуплотненных породах кристаллического основания и осадочного чехла, где зарегистрированы его надфоно-вые концентрации в атмосфере почв и подпочв,

б) тривиальные газы - Н2, Не, N2, СО2, СЩ и др. играют определяющую роль в переносе эманаций радиоэлементов в природе, в том числе в пределах кольцевых разломов, возникающих по периметру импактных структур, влияющих на динамику процессов перераспределения потоков летучих глубинного генезиса в литосфере,

Атмосферное электрическое поле, В/м 300-

Рис. 3. Геологический разрез через Калужскую кольцевую структуру по профилю 1-І: ход атмосферного электрического поля, ход радона и водорода (сглаженный по скользящим из трех последующих значений концентраций), ход гелия по данным [Пронин и др., 1997]. Обозначения 1-14 те же, что и на рис. 4.

Рис. 4. Геологический разрез через Калужскую кольцевую структуру по профилю П-П: ход атмосферного электрического поля, ход радона и водорода. Обозначения: 1 - четвертичные отложения (а) и известняки, доломиты среднего карбона (б); 2 - глины, алевролиты нижнего карбона; 3 - карбонатные отложения фаменского яруса верхнего девона с горизонтами и вкрапленностью гипса, кремнистого вещества, доломита; 4 - алевролиты, глины, известняки и доломиты франского яруса верхнего девона; 5 - глины, алевролиты, песчаники среднего девона; б - вендские аргиллиты, песчаники, туффиты с глауконитом, углеродистым веществом; 7 - гнейсы, гранито-гнейсы и граниты архея и нижнего протерозоя; 8 -аутигенные брекчии гнейсов, гранито-гнейсов и гранитов; 9 - аллогенные, эксплозивные и пирокластические брекчии с эффузивами среднего и основного состава (а) и флюидизиро-ванные брекчии осадочных и других пород с ангидрит-карбонатно-кремнистым цементом (б); 10 - фосфориты (а) и сульфаты (б), сингенетичные с осадочными породами; 11 - гидротермально измененные породы; 12 - залежи бурого угля (а) и гипса (б); 13 - активные глубинные разломы; 14 - график содержания гелия в подземных водах.

в) образование кольцевых тектонических разломов в породах литосферы и последующего участия этих разломов в надфоновых разгрузках летучих в приземную тропосферу свидетельствует об их атро-блемной природе.

Полученные результаты позволяют также говорить о доминирующей роли субвертикальных потоков летучих в выносе в атмосферу почв и подпочв и в приповерхностную тропосферу радиоактивных эманаций, определяющих ионизационное состояние последней. В геодинамически активных областях восстающие потоки природных газов, а, соответственно, и их радиоактивных составляющих, существенно плотнее потоков природных газов в пределах плит и щитов и более нестабильны во времени [Войтов, 1998; Войтов и др., 1995; Дианов-Клоков и др., 1977], что провоцирует нестабильности в этих регионах электрических характеристик приземной тропосферы.

Литература

Войтов Г. И., Восстановленные газы (углеводороды) в породах фундамента Русской плиты, Бюлл. МОИП, отд. Геологическое, 61, 44-61, 1990.

Войтов Г. И., Николаев И. Н., Уточкин Ю. А. и др., О потоке водорода в приземную тропосферу в геодинамически различных геоструктурных зонах Земли, ДАН, 344, (1), 110-114, 1995.

Войтов Г. И., Мониторинг радона атмосферы подпочв сейсмически активной Средней Азии, Физика Земли, (1), 27-38, 1998.

Дианов-Клоков В. И., Лукшин В. В., Матвеева О. А., Скляренко И. Я., О распределении метана в тропосфере, Изв. АН СССР, Сер. Физика атмосферы и океана, 13, (5), 529-536, 1977.

Кароль И. Л., Радиоактивные изотопы и глобальный перенос в атмосфере, 66 с., Гидрометиздат, Ленинград, 1972.

Масайтис В. Л., Некоторые древние метеоритные кратеры на территории СССР, Метеоритика, вып. 33, 64-68, 1974.

Масайтис В. Л., Астроблемы на территории СССР, Сов. геология, (11), 52-64, 1975.

Маракушев А. А., Импактиты, с. 240, Изд-во МГУ, Москва, 1981.

Петров В. Г., Особенности строения Калужской структуры, Бюлл. МОИП, отдел. Геологическое, 44> вып. 6, 1969.

Петров В. Г., О выделении Калужско-Вельской структурной зоны, Бюлл. МОИП, отд. Геологическое, 46, вып. 3, 1971.

Пронин А. П., Башорин В. Н., Звонилкин Б. Д., Геологическое строение и флюидная активность Калужской кольцевой структуры, ДАН, 356, (1), 78-82, 1997.

Радон, Большая советская энциклопедия, с. 584, Из-во БСЭ, Москва, 1955.

Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество, с. 422, Гидрометиздат, Ленинград, 1974.

Parkinson W. D., Factors, controlling the atmospheric conductivity at the Huankayo Magnetic Observatory, Terr. Magn. Atmos. Fleet., 3, 305-317, 1958.

Pierse E. Т., Some topics in atmospheric electricity, Rec. Adv., 5-16, 1958.