УДК 550.34.4
ГЛУБИННЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ
ЧАСТИ КАРЕЛЬСКОГО КРАТОНА
© 2013 г. Н. В. Шаров
Институт геологии Карельского научного центра РАН (ИГКарНЦ РАН) г. Петрозаводск
Поступила в редакцию 18.06.2012 г.
На основе анализа и обобщения всей совокупности имеющейся сейсмической информации, накопленной за прошедшие сорок лет, даются современные представления о глубинном строении земной коры центральной части Карельского кратона. Построены томографические модели, уточнены представления о расслоенности земной коры, геометрии сейсмических границ, отмечено погружение границы кора-мантия до 60 км. При сопоставлении и комплексной интерпретации временных разрезов ОГТ, многоволновых разрезов ГСЗ, МОВЗ и геологических данных выявлено, что результаты сейсмических методов заметно различаются, однако для геологической интерпретации важны данные всех методов, т.к. они подчеркивают различные особенности среды.
Ключевые слова: сейсмические скорости, земная кора, граница М, Карельский кратон.
Б01: 10.7868/80002333713010122
ВВЕДЕНИЕ
Изучение глубинного строения и эволюции раннедокембрийской земной коры относится к числу приоритетных проблем современных геологических исследований. Фенноскандинавский щит, крупнейший выступ фундамента ВосточноЕвропейской платформы, является одним из ключевых объектов исследования этой проблемы благодаря относительно высокому уровню изученности. На протяжении ряда лет геолого-геофизические исследования Фенноскандинавского щита осуществляются в рамках многостороннего международного сотрудничества, охватывающего широкий комплекс работ с использованием методов сейсмологии, геоэлектрики, гравиметрических, магнитометрических и геотермических наблюдений. Комплексный анализ геологической и глубинной геофизической информации позволил обратиться к совершенствованию существующих и формированию новых моделей глубинного строения и эволюции раннедокембрийской коры щита.
Главенствующую роль в изучении глубинного строения литосферы играют геофизические исследования, до относительно недавнего времени — почти исключительно методом глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). В последние годы при глубинных сейсмических исследованиях на Фенноскандинавском щите все шире используется метод общей глубинной точки (ОГТ). Этот метод позволяет получить структурные изображения сейсмических неоднородностей, в том числе полого — или даже крутонаклонных, кото-
рые могут быть непосредственно прослежены к поверхности эрозионного среза. Благодаря этому появилась реальная возможность сопоставить структурные образы коры, получаемые ОГТ, с геологическими объектами, доступными для исследований на земной поверхности.
Новая информация о структуре земной коры на профилях ОГТ оказывается принципиально иной по сравнению с данными ГСЗ. Геологическая интерпретация материалов, полученных методами ОГТ, ГСЗ, МОВЗ (метод обменных волн землетрясений) на одном и том же профиле, позволяет составить наиболее полную и разностороннюю картину глубинного строения кристаллической коры и литосферы в целом, так как эти методы подчеркивают различные особенности среды. Методом ОГТ на глубинах, охватывающих всю мощность коры и верхнюю часть литосфер-ной мантии, регистрируются сейсмические отражения, генерирующиеся на литологических границах и границах, созданных тектоническими нарушениями. По материалам многоволновой сейсмики ГСЗ, МОВЗ получаются сведения о скоростной характеристике отдельных блоков земной коры, прослеживаются глубинные разломы и другие латеральные неоднородности в средней и нижней коре, детально прорисовывается рельеф поверхности М.
Район исследований (61°—66° с.ш., 27°—33° в.д.) включает приграничную территорию (рис. 1) восточной Финляндии и западной Карелии. Это область соприкосновения архейского Карельского
кратона и протерозойского Центрально-Финляндского гнейсо-гранитного блока, отличающегося геологической историей, в первую очередь временем образования и последующих преобразований коры. Территория особенно благоприятна для изучения внутренней структуры кристаллической коры, так как здесь отсутствует искажающее влияние осадочного чехла, что создает хорошие возможности для непосредственного исследования и сопоставления глубинных геологических и геофизических данных.
Сейсмические работы, проведенные за последние четыре десятилетия на приграничной территории, были весьма разнообразны как по масштабам изучения строения земной коры, так и по методам. Однако некоторые результаты этих исследований до сих пор неоднозначны и весьма противоречивы. Разрабатываемое крупнейшее Ко-стомукшское месторождение качественных железистых кварцитов, медно-никелевые месторождения, связанные синорогенными мафит-ультраме-фитовыми интрузиями свекокарельского возраста, обнаруженные месторождения золота, кимберли-товых тел, делают очевидной необходимость более тщательного и детального доизучения глубинного строения этого региона.
В предлагаемой статье предпринята попытка систематизации результатов многолетних сейсмических исследований, дополненных новейшими данными. Это позволяет выявить детали глубинного строения земной коры, уточнить ее состав, структуру и скоростной разрез.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В конце прошлого века глубинные сейсмические исследования на территории Финляндии и России получили широкое развитие благодаря реализации ряда международных и отечественных профилей ГСЗ (рис. 1, таблица). Однако отработка проведена с разной деятельностью. В последние годы исследования выполнены по методике ОГТ с вибраторами, максимальной длиной годографа 15 км, записи 18—25 с, что позволило зондировать до глубины 50—60 км.
Геотравес Еи-3. Рассмотрим модель строения коры по участку геотраверса Еи-3 [Чекунов и др., 1993]. Он состоит из двух профилей Печенга-Ко-стомукша и Балтик (рис. 1). Сейсмические наблюдения проведены методом ГСЗ при возбуждении упругих волн как специальными, так и промышленными взрывами. Пункт взрыва в карьере Костомукша (Н) был связующим для этих профилей в единый геотраверс, пересекающий Балтийский щит с севера на юг.
На геотраверсе отдельные группы волн корре-лируются с разрывами (рис. 2). Для каждого блока
Рис. 1. Схема геологического строения и сейсмической изученности центральной части Карельского кратона. КК — Карельский кратон; ВБ — Вокнаволок-ский блок; СFСВ — Центрально-Финляндский протерозойский гнейсо-гранитный блок; КС — Косто-мукшская зеленокаменная структура; 1 — граниты ра-пакиви; 2 — протерозойские габбро-нориты; 3 — протерозойские кристаллические вулканогенно-оса-дочные толщи; 4 — архейские гранито-гнейсовые кристаллические образования; 5 — позднеархейские зеленокаменные пояса; 6 — раннеархейские гранули-товые кристаллические образования Вокнаволокского блока; 7 — свекофеннские гранито-гнейсовые образования; 8 — тектонические зоны; 9 — фрагменты сейсмических профилей ОГТ: ЕВ-4; FIRE 1 (Вартиус-Ий-салми); FIRE 3 (Менке-Оутокумпу); FIRE ЗА (Вини-ярви- Леппявирта); 10 — фрагменты сейсмических профилей ГСЗ с пунктами взрыва: ПК (Печенга-Ко-стомукша); КУ (Кемь-Ухта); КТ (Кемь-Тулос); Све-ка; Балтик; ЛС (Лахденпохъя-Сегозеро); 11 - фрагмент профиля МОВЗ Выборг-Спасская Губа (ВС). На врезке квадратом очерчен район исследований.
Сейсмическая изученность земной коры Центральной части Карельского кратона
Название профиля Длина, км Год выпуска Глубина до М, км Vср до М, км/с Vr по М, км/с Литературный источник
Печенга-Костомукша 550 1981-1982 41-49 6.4-6.5 8.1 [Литосф. Центр..., 1987; АгЪе1 ег а1., 1989; Чекунов и др., 1993; Шаров, 1993; МИгоГапоу ег а1., 1998]
Кемь—Ухта 200 1958-1959 38-40 6.4 8.1 [Земная кора..., 1978; Гончаров и др., 1991; Глуб. строен..., 2001]
Кемь—Тулос 230 1978-1979 39-40 6.4 8.1-8.2 [Литвиненко и др., 1981; Гончаров и др., 1991]
Лахденпохья—Сегозеро 300 1980 41-50 6.4 7.8-8.0 [Литвиненко и др., 1982; Гончаров и др., 1991; Глуб. строен..., 2004]
Балтик 450 1982 40-62 6.7 8.0-8.2 ^ио8го, Тпга ег а1., 1990; Булин, Фурсов, 1991; Шаров, 1993]
Свека 320 1981 50-57 6.6 7.8-8.0 ^ио8го, ег а1., 1987; Перхуц, Корхонен, 1989; УИшеш1, ег а1., 2004]
Выборг—Спасская Губа 540 2000-2001 40-48 6.6 - [Глуб. строен..., 2004]
ЕВ-4 269 1999 40 - - [Глуб. строен..., 2001; Шаров и др., 2010; Слабунов и др., 2011]
Вартиус—Ийсалми (FIRE 1) 500 2001 40-55 - - [Киккопеп, Lahtinen, 2006; Кода, ^кктеп, 2008]
Менке—Оутукумпу (FIRE 3) 158 2002 45-60 [Киккопеп, Lahtinen, 2006; Кода, ^кктеп, 2008; Киккопеп, 2011]
Виниярви-Леппявир-та (FIRE 3А) 448 2002 45-60 - - [Киккопеп, Lahtinen, 2006; Кода, ^кктеп, 2008]
составлялись индивидуальные модели верхней части разреза. Скорость вблизи дневной поверхности на большей части профиля составляет 6.0—6.2 км/с, на отдельных участках — 6.4—6.5 км/с (рис. 2). Интервальная скорость на глубинах 5—9 км оценивается в пределах 6.2—6.4 км/с. Эта оценка является, скорее всего, максимальной, что обусловлено известным эффектом квазианизотропии. Средняя скорость для верхних частей коры (до 10 км) не превышает 6.1—6.2 км/с, т.е. оказывается меньшей, чем интервальная. Такое может быть объяснено наличием в рассматриваемой части коры не-однородностей с относительно пониженной скоростью, определение их параметров (скорости и мощности) затруднено. Глубже (10—20 км) интервальная скорость нарастает до 6.6 км/с.
По волнам, доминирующим на монтажах, построены отражающие границы на глубинах 5—13, 15—20 и 26—35 км (рис. 2, рис. 3а). Аномальные отклонения экспериментальных годографов относительно расчетных в большинстве случаев наблюдаются в местах пересечения профилем выходящим на дневную поверхность пород, характеризующихся большой скоростью, или вблизи них. В пределах всего разреза коры выявлены на-
клонные глубинные разломы — границы отдельных блоков, которые претерпели горизонтальные подвижки.
Мощность коры вдоль профиля Печенга-Ко-стомукша-Ловиса изменяется от 38 до 63 км. Наблюдается аномальная Ладожско-Ботнические зона. Для нее характерно: повышенное значение магнитного поля, приуроченность эпицентров землетрясений и затуханий сейсмических волн, смена
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.