ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2007, № 4, с. 28-34
УДК 550.36-83
ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ И ОБЪЕКТЫ ВЫСОКОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ В КОРЕ И ВЕРХНЕЙ МАНТИИ УКРАИНЫ
© 2007 г. В. В. Гордиенко, И. В. Гордиенко, И. М. Логвинов
Институт геофизики им. С.И.Субботина НАН Украины, г. Киев Поступила в редакцию 15.06.2006 г.
В работе изложены сведения о распределении глубинного теплового потока на территории Украины, тепловых моделях тектоносферы и объектах повышенной электропроводности в коре и мантии, которые преимущественно связаны с частичным плавлением и дегидратацией пород.
РАС8: 91.35.Dc, 91.25.Qi
Ключевые слова: тепловое поле, проводящий объект, природа электропроводности.
ВВЕДЕНИЕ
Связь многих зон высокой электропроводности и аномального нагрева пород, приводящего к частичному плавлению и тепловой дегидратации, не вызывает сомнений. Ниже она рассмотрена преимущественно на основе информации о перегретых и аномально проводящих объектах в коре и верхней мантии Украины. Это обусловлено, в основном, детальной изученностью ее территории. Она дает возможность рассмотреть механизмы связи, причем необходимым оказывается и анализ природы аномальной проводимости, не обусловленной высокой температурой пород.
ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ УКРАИНЫ
Основной экспериментально определяемый параметр, характеризующий тепловое поле Земли, - тепловой поток. Его значения часто существенно искажены приповерхностными влияниями, поэтому для построения тепловых моделей коры и верхней мантии можно использовать только глубинный тепловой поток (ТП), исправленный с учетом различных факторов. В Украине удалось определить ТП в 12000 скважин [Гордиенко и др., 2002]. Сеть ТП крайне неравномерна (рис. 1), примерно на половине территории (Украинский щит (УЩ) и его склоны, склоны Воронежского массива, Карпаты) достоверное выявление всех региональных особенностей поля еще не достигнуто. Тем не менее, собранная информация позволяет более обоснованно, чем в других регионах, проводить анализ распределения параметра, строить тепловые модели недр.
На большей части территории средний ТП -44 мВт/м2: на УЩ, его склонах, на склонах Воронежского массива, в Днепровско-Донецкой впадине (ДДВ), на восточной части Волыно-Подоль-
ской плиты (ВПП). На северо-западе и в некоторых других районах этой области установлены пониженные значения - около 35 мВт/м2. Положительные аномалии заметны на щите, менее распространены (и незначительны по площади) во впадине, достигают 60-70 мВт/м2. Типичные ТП в Донбассе, на Южно-Украинской моноклинали, западе ВПП, части Предкарпатского прогиба близки к 50 мВт/м2. Аномалии широко распространены, в их пределах ТП достигает 60-90 мВт/м2. Повышен средний ТП на Скифской плите и в Карпатах (около 60 мВт/м2). Аномальные значения тут - 70-90 мВт/м2. Максимальные ТП установлены в Закарпатском прогибе - средние около 90 мВт/м2, аномалии - до 130 мВт/м2.
В распределении ТП отражается не только современная тепловая ситуация, но и тепловая история недр. Это большой плюс метода, но этим (тепловой инерцией) обусловлен и резкий рост неоднозначности решения обратной задачи. Например, в зонах современной активизации над аномально нагретой мантией и нижней корой аномалии ТП вообще могут отсутствовать. Поэтому интерпретация ТП неизбежно сопряжена с использованием гипотетических моделей, опирающихся на геологическую и геофизическую информацию. В нашем случае она проводилась в три этапа.
1. Фоновый радиогенный ТП. Фоновый (платформенный) глубинный тепловой поток считался принадлежностью регионов, в которых в течение последних 0.5-1 млрд. лет отсутствовали активные глубинные процессы, связанные с тепломас-сопереносом в мантии и коре. Он обусловлен теплом радиоактивного распада в коре и мантии и длительным остыванием последней. Показано, что для рассматриваемого случая ТП из мантии довольно стабилен, составляет около 20 мВт/м2
Рис. 1. Распределение глубинного теплового потока на территории Украины.
на большей части Украины [Гордиенко и др., 20056]. Коровая составляющая более изменчива -около 15-25 мВт/м2. На большей части территории платформы ТП отвечает фоновому, в фане-розойских геосинклиналях Донбасса, Скифской плиты и Карпат согласование не достигается. Характерно почти полное отсутствие значимых отрицательных аномалий.
Платформенным ТП соответствуют тепловые модели, которые рассматривались в качестве начальных условий в районах, где в фанерозое происходили активные события, сопряженные с теп-ломассопереносом. Почти для всей территории Украины возможна одна модель. Только для крайнего северо-запада получена модель с заметно пониженными значениями глубинных температур (Т). Она характерна и для Белорусского массива и обусловлена пониженной (примерно на 30%) теплогенерацией пород коры и верхней мантии [Гордиенко и др., 2005б].
2. Эффект фанерозойских активных процессов. На втором этапе рассмотрены аномалии ТП, связанные с геосинклинальными и рифтовыми процессами герцинского возраста в Донбассе и ДДВ, киммерийского - на Скифской плите и альпийского - в Карпатах. Использовались представ-
ления адвекционно-полиморфной гипотезы глубинных процессов о перемещении вещества мантии и коры, сведения о возрастах событий, размерах активных регионов. Построенные схемы на количественном уровне объясняют все известные в регионах факты тектонической и магматической истории [Гордиенко и др., 2003]. Перемещения вещества вели к образованию аномалий Т и ТП, которые постепенно сглаживались после завершения последних актов тепломассоперено-са, определяя современные ТП в перечисленных регионах. В ДДВ они заметно не должны отличаться от фоновых, в Донбассе отличия не превышают 5 мВт/м2, на Скифской плите достигают 10 мВт/м2, в Карпатах аномальные ТП изменяются от внешней границы до тыльного прогиба от 0-5 мВт/м2 до 45 мВт/м2. Внесение соответствующих изменений в расчетный ТП позволило заметно сблизить его с экспериментальным, но не устранило полностью различий. Остаточные аномалии достигают 10-40 мВт/м2.
3. Эффект современной активизации. На третьем этапе построены тепловые модели, отвечающие процессу современной активизации. По различным геологическим и геофизическим данным он начался несколько миллионов лет назад и не завершился до сих пор. Его проявления отмечены
T, °C
Рис. 2. Сравнение расчетных температур и данных геотермометров в земной коре и верхней мантии: 1, 2, 5 - расчетные температуры; 3, 4, 6- данные геотермометров; 1, 3 - Украинский щит; 2, 4 - Припят-ский вал; 5, 6 - Французский и Чешский массивы; 7, 8 - расчетные температуры для Закарпатского прогиба; 9,10 - данные геотермометров. Sol - температура солидуса мантийных пород.
во всех регионах Украины, включая платформенные, но достаточно точное оконтуривание охваченных активизацией районов пока не достигнуто [Гордиенко и др, 2002; 20056 и др.]. В некоторых случаях тепловая волна еще не достигла поверхности, и аномалии ТП возникают только в районах, где по проницаемым зонам разломов происходит конвективный вынос тепла из средней части коры отдельными вторжениями магмы (до глубины 6-10 км) и флюидами (до поверхности). Соответствующие тепловые модели построены также в рамках адвекционно-полиморфной гипотезы глубинных процессов и позволяют полностью объяснить экспериментальные величины ТП. В зонах современной активизации (в том числе и без аномалий ТП) и в альпидах Карпат достигается максимальный для настоящего времени прогрев недр до глубин около 100 км.
Тепловые модели получены с использованием гипотетических представлений и нуждаются в независимом контроле. Он проведен по геофизическим данным и геотермометрам [Гордиенко и др,
2002; 2003; 2005а; 20056 и др]. Модели сопоставлялись с данными геоэлектрики (см. ниже), сейсмологии, гравиметрии, в меньшей мере - магнитометрии. Во всех случаях получено полное (в пределах погрешностей расчета) согласование. Сведения о температурах и давлениях (глубинах), при которых сформировались минеральные ассоциации ксенолитов, вынесенных на поверхность магмами (геотермометры), позволяют более непосредственно контролировать тепловые модели. Для сравнения с фоновыми моделями использованы данные о ксенолитах, вынесенных кимбер-литовыми магмами на платформе и Припятском валу (у границы с Белоруссией) (рис. 2). Для сравнения с тепловой моделью зоны современной активизации использованы данные о ксенолитах, вынесенных магмами на Французском и Чешском массивах. Здесь процесс активизации продвинулся дальше, чем в Украине, достиг магматической стадии, и стало возможным поступление ксенолитов на поверхность (рис. 2). Различия между расчетными Т и геотермометрами (в среднем 70°С) меньше, чем расхождения Т, установленных по геотермометрам на одной глубине (110°С).
На коровых глубинах (2-37 км) контроль проведен по данным об условиях метаморфизма пород, находящихся в настоящее время на поверхности в Донбассе и Карпатах [Гордиенко и др., 2003]. Один вариант модели отражает среднее распределение Т при молодой активизации, наложенной на завершившую развитие альпийскую геосинклиналь. Второй характеризует ситуацию вторжения магмы и флюидов в верхнюю часть коры. Согласование расчетных Т и геотермометров достаточно полное (рис. 2). Проводились также сравнения моделей с данными геотермометров для различных платформ и континентальных рифтов Европы, Африки, Северной Америки и Австралии [Гордиенко и др., 2005а].
Таким образом, построенные тепловые модели коры и верхней мантии Украины соответствуют не только ТП, но и всей информации, которая может быть привлечена для их контроля.
ПРИРОДА АНОМАЛИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
Наличие связи между прогретыми и проводящими объектами лучше всего проверить, используя данные о наиболее изученных на территории Украины коровых проводниках. На рис. 3 показаны зоны, в пределах которых по тепловым моделям установлены температуры более 600°С на глубине около 25 км. Здесь еще встречаются породы амфиболитовой фации метаморфизма, при таком нагреве они испытывают частичное плавление и дегидротируются. На рис. 3 вынесены также известные в настоящее время объекты высокой электропроводности на сопоставимых глу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.