ТЕМПЕРАТУРНЫЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЛИТОСФЕРЫ БАЛТИЙСКОГО ЩИТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ
2021 г. А.Н. Шевцов1, 2 *, А.А. Жамалетдинов 1–4
1 Геологический институт Кольского научного центра РАН,
Мурманская обл., г. Апатиты, Россия
2 Мурманский Арктический государственный университет (филиал в г. Апатиты), Мурманская обл., г. Апатиты, Россия
3 Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова, г. Санкт-Петербург, Россия
4 Центр
физико-технических
проблем энергетики
Севера Кольского
научного центра
РАН,
Мурманская
обл., г. Апатиты,
Россия
*e-mail: anshev2019-01@mail.ru
Поступила
в редакцию
27.11.2020 г.; после доработки
24.12.2020 г.
Принята
к публикации
25.12.2020.г.
Аннотация. Рассмотрены способы расчета распределения температуры и реологических параметров (дифференциальных напряжений) литосферы на глубине по результатам глубинных электромагнитных зондирований в Российской зоне Арктики на территории Карело-Кольского региона. Моделирование температуры выполнено в предположении, что в пределах верхней части разреза (на глубинах менее 20–30 км) изменение удельного электрического сопротивления с глубиной обусловлено пористостью, проницаемостью, влажностью и минерализацией поровых растворов. Для глубин более 20–30 км принято, что сопротивление нижней части земной коры и верхней мантии определяется, прежде всего, минеральным составом «сухих» горных пород, температурой и давлением. Оценки температуры на глубине по геоэлектрическим разрезам выполнены путем расчета уравнения теплового баланса с учетом предположений о распределении источников энергии в Земле, теплофизических свойствах отдельных слоев земной коры и их петрографическом составе. Изменение минерального состава литосферы с глубиной принято на основании априорных геологических оценок и данных сверхглубокого бурения. Зависимость температуры от глубины рассчитана путем минимизации несоответствия между профилем проводимости, полученным на основе теоретических расчетов, и профилем проводимости, опирающимся на априорные данные петрофизических исследований. С учетом разработанных основ геотермической интерпретации проведено моделирование геоэлектрических разрезов, выполненных в эксперименте «FENICS» по глубинному зондированию литосферы с использованием промышленных ЛЭП. Реологические исследования проводились с целью изучения возможного существования в земной коре Балтийского щита границы перехода вещества из хрупкого (brittle) в пластичное (ductile) состояние в соответствии с теоретическими концепциями В.Н. Николаевского. Эта гипотетическая граница в научной литературе носит название «brittle-ductile transition zone» (зона BDT). Произведены теоретические расчеты реологических параметров литосферы с использованием нелинейных уравнений, связывающих компоненты тензора напряжения и тензора скорости деформации с компонентами тензоров напряжения и их производными по времени. Результаты расчетов показали, что границы неопределенности в оценках положения границы BDT находятся в пределах от 5–10 до 30–40 км. Более надежные оценки дает зондирование с контролируемыми источниками. С этой целью в работе приведены результаты эксперимента «Мурман-2018» по глубинному дистанционному зондированию на территории Мурманского блока с линейным (равномерным) шагом изменения разносов между источником и приемником до 56 км и зондирования CSAMT на разносах до 105 км. Для данного региона установлен трехслойный градиентно-ступенчатый разрез типа А. Верхний слой мощностью 10 км имеет сопротивление 2∙104 Ом∙м и отличается повышенной хрупкостью вследствие существования субвертикальных, выполаживающихся с глубиной зон трещиноватости и разломов. Глубже 10 км залегает граница резкого повышения сопротивления – до 106–107 Ом·м. Условно она определяется как граница непроницаемости. На основе этого результата и с учетом большого числа косвенных геофизических факторов сделан вывод, что границе непроницаемости соответствует граница BDT. Результаты данной работы показывают, что применение электрических зондирований земной коры позволяет получать количественные оценки температурных и реологических параметров литосферы.
Ключевые слова: электропроводность, частотное зондирование, магнитотеллурическое зондирование, кажущееся сопротивление, статический сдвиг, температура, реология, литосфера, Фенноскандинавский щит, Арктика.
DOI: https://doi.org/10.21455/GPB2021.1-4
Цитирование: Шевцов А.Н., Жамалетдинов А.А. Температурные и реологические параметры литосферы Балтийского щита по результатам электромагнитных зондирований // Геофизические процессы и биосфера. 2021. Т. 20, № 1. С. 33–49. https://doi.org/10.21455/GPB2021.1-4
Финансирование
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-05-00528).
Литература
Баранник М.Б. Методика эксперимента «Мурман-2018» // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 4. С. 50–56. [Темат. вып. «Методические разработки для электромагнитных зондирований с управляемыми источниками»]. https://doi.org/10.21455/std2019.4-5
Ваньян Л.Л. Основы электромагнитных зондирований. М.: Недра, 1965. 108 с.
Ваньян Л.Л. Электропроводность земной коры в связи с ее флюидным режимом // Коровые аномалии электропроводности. Л.: Наука, 1984. С. 27–35.
Ваньян Л.Л. Электромагнитные зондирования. М.: Науч. мир, 1997. 218 с.
Ганнибал А.Е. Программа обработки первичных данных в эксперименте «FENICS» // Наука и технологические разработки. 2020. Т. 99, № 1. С. 5–14. https://doi.org/10.21455/std2020.1-2
Гзовский М.В. Основы тектонофизики. M.: Наука, 1975. 535 с.
Глазнев В.Н. Комплексные геофизические модели фенноскандской литосферы. Апатиты: KиМ, 2003. 252 с.
Глазнев В.Н., Жамалетдинов А.А., Мирошников В.П., Скопенко Г.Б., Шаров Н.В. Одномерная геофизическая модель структуры литосферы к северо-востоку от Балтийского щита // Нормальные разрезы верхней мантии: Тез. докл. II раб. совещ. по программе ЭЛАС. Киев: ИГ АН СССР, 1987. С. 20.
Жамалетдинов А.А. Нормальный электрический разрез кристаллического фундамента и его геотермическая интерпретация по данным МГД-зондирования на Кольском полуострове // Глубинные электромагнитные зондирования с применением импульсных МГД-генераторов. Апатиты: Кол. фил. АН СССР, 1982. С. 35–46.
Жамалетдинов А.А. Модель электропроводности литосферы по результатам исследований с контролируемыми источниками поля: Балтийский щит, Русская платформа. Л.: Наука, 1990. 159 с.
Жамалетдинов А.А. Теория и методика глубинных электромагнитных зондирований с мощными контролируемыми источниками (опыт критического анализа). СПб.: Изд-во СПбГУ, 2012. 163 с.
Жамалетдинов А.А. Электропроводность земной коры в районе СНЧ-антенны «Зевс» по результатам зондирований на постоянном и переменном токе (Мурманский блок) // Взаимодействие электромагнитных полей КНЧ-СНЧ диапазона с ионосферой и земной корой: Материалы I Всерос. (с междунар. участием) науч.-практ. семинара. Апатиты, 2015. С. 63–71.
Жамалетдинов А.А. Способ количественного учета статических искажений по магнитному полю контролируемого источника CSAMT // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 4. С. 5–18. [Темат. вып. «Методические разработки для электромагнитных зондирований с управляемыми источниками»]. https://doi.org/ 10.21455/std2019.4-1
Жамалетдинов А.А. Кольская сверхглубокая скважина СГ-3 – 50 лет // Геофизические процессы и биосфера. 2020. T. 19, № 4. С. 94–116. https://doi.org/10.21455/GPB2020.4-7
Жамалетдинов А.А., Кулик С.К., Павловский В.И., Рокитянский И.И., Таначев Г.С. Аномалия короткопериодных геомагнитных вариаций над структурой Имандра–Варзуга (Кольский п-ов) // Геофиз. журн. 1980. Т. 2, № 1. С. 91–96.
Жамалетдинов А.А., Ковалевский В.Я., Павловский В.И., Таначев Г.С., Токарев А.Д. Глубинное электрозондирование с ЛЭП постоянного тока 800 кВ «Волгоград–Донбасс» // Докл. АН СССР. 1982. Т. 265, № 5. С. 1101–1105.
Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н., Токарев А.Д., Корья Т. Частотное электромагнитное зондирование земной коры на территории Центрально-Финляндского гранитоидного комплекса // Физика Земли. 2002. № 11. С. 54–68.
Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н., Короткова Т.Г., Копытенко Ю.А., Исмагилов В.С., Петрищев М.С., Ефимов Б.В., Баранник М.Б., Колобов В.В., Прокопчук П.И., Смирнов М.Ю., Вагин С.А., Пертель М.И., Терещенко Е.Д., Васильев А.Н., Григорьев В.Ф., Гохберг М.Б., Трофимчик В.И., Ямпольский Ю.М., Колосков А.В., Федоров А.В., Корья Т. Глубинные электромагнитные зондирования литосферы восточной части Балтийского (Фенноскандинавского) щита в поле мощных контролируемых источников и промышленных ЛЭП (эксперимент «FENICS») // Физика Земли. 2011. № 1. С. 4–26.
Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н., Велихов Е.П., Скороходов А.А., Колесников В.Е., Короткова Т.Г., Рязанцев П.А., Ефимов Б.В., Колобов В.В., Баранник М.Б., Прокопчук П.И., Селиванов В.Н., Копытенко Ю.А., Копытенко Е.А., Исмагилов В.С., Петрищев М.С., Сергушин П.А., Терещенко П.Е., Самсонов Б.В., Бируля М.А., Смирнов М.Ю., Корья Т., Ямпольский Ю.М., Колосков А.В., Бару Н.А., Поляков С.В., Щенников А.В., Дружин Г.И., Джозвиак В., Реда Я., Щорс Ю.Г. Исследование взаимодействия электромагнитных волн КНЧ-СНЧ диапазона (0.1–200 Гц) с земной корой и ионосферой в поле промышленных линий электропередачи (эксперимент «FENICS») // Геофизические процессы и биосфера. 2015. T. 14, № 2. С. 5–49. https://doi.org/10.1134/S0001433815080083
Жамалетдинов А.А., Велихов Е.П., Шевцов А.Н., Колобов В.В., Колесников В.Е., Скороходов А.А., Короткова Т.Г., Ивонин В.В., Рязанцев П.А., Бируля М.А. Эксперимент «Ковдор-2015»: Исследование параметров проводящего слоя дилатансно-диффузионной природы (слой DD) в архейском кристаллическом фундаменте Балтийского щита // Докл. Акад. наук. Науки о Земле. 2017. Т. 474, № 2. С. 641–645. https://doi.org/10.1134/S1028334X17060095
Жамалетдинов А.А., Велихов Е.П., Шевцов А.Н., Скороходов А.А., Колобов В.В., Ивонин В.В., Колесников В.В. Эксперимент «Мурман-2018» по дистанционному зондированию с целью исследования границы «непроницаемости» на переходе между хрупким и пластичным состояниями кристаллической земной коры // Докл. Акад. наук. 2019. Т. 486, № 3. С. 91–96.
Иоффе А.Ф. Избранные труды. Т. 1. Механические и электрические свойства кристаллов. Л.: Наука, 1974. 326 с.
Караев Н.А. Структура и природа «близвертикальных» отражений земной коры в районе Кольской сверхглубокой скважины // Сейсмогеологическая модель литосферы Северной Европы: Лапландско-Печенгский район / Отв. ред. Н.В. Шаров. Апатиты: Изд-во Геол. ин-та КНЦ РАН, 1997. С. 116–135.
Кириллов С.К., Осипенко Л.Г. Изучение проводящей зоны Имандра–Варзуга (Кольский полуостров) с помощью МГД-генератора // Коровые аномалии электропроводности. Л.: Наука, 1984. С. 79–86.
Ковтун А.А. Физические свойства Земли по данным глубинной геоэлектрики // Вопросы геофизики. 2009. Вып. 42. С. 84–104.
Колобов В.В., Баранник М.Б., Ефимов Б.В., Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н., Копытенко Ю.А. Генератор «Энергия-4» для мониторинга сейсмоактивных зон и электромагнитного зондирования земной коры: Опыт применения в эксперименте «Ковдор-2015» // Сейсмические приборы. 2017. Т. 53, № 3. С. 55–73. https://doi.org/10.21455/si2017.3-5
Колобов В.В., Баранник М.Б., Ивонин В.В., Селиванов В.Н., Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н., Скороходов А.А. Опыт применения генератора «Энергия-4» для дистанционных и частотных электромагнитных зондирований в эксперименте «Мурман‑2018» // Тр. КНЦ РАН. 2018. № 17. С. 7–20. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.8.7-20
Кольская сверхглубокая: Научные результаты и опыт исследования / Под ред. В.П. Орлова, Н.П. Лаверова. М.: Минприрода РФ, РАН, РАЕН, 1998. 251 с
Лукк А.А., Леонова В.Г. Распределение с глубиной очагов землетрясений как проявление природы деформирования континентальной коры // Геофизические процессы и биосфера. 2020. Т. 19, № 1. С. 30–50. https://doi.org/10.21455/GPB2020.1-2
Николаевский В.Н. Дилатансионная реология литосферы и волны тектонических напряжений // Основные проблемы сейсмотектоники. М.: Наука, 1986. С. 51–68.
Пархоменко Е.И. Электрические свойства горных пород. М.: Наука, 1965. 164 с.
Пархоменко Е.И., Бондаренко А.Т. Электрическая проводимость пород при высоком давлении и температурах. Л.: Недра, 1972. 279 с.
Рябов А.В., Пилипенко В.А., Ермакова Е.Н., Мазур Н.Г., Федоров Е.Н., Жамалетдинов А.А., Шевцов А.Н. Регистрация и моделирование УНЧ-сигналов на станции Старая Пустынь во время эксперимента FENICS-2019 // Наука и технологические разработки. 2020. Т. 99, № 2. С. 16–35. https://doi.org/10.21455/std2020.2-3
Садовский М.А. Естественная кусковатость горной породы // Докл. АН СССР. 1979. Т. 247, вып. 4. С. 829–831.
Семенов А.С. Электрический разрез древних кристаллических щитов // Вопросы геофизики. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. Т. 27. С. 108–113.
Семенов А.С., Жамалетдинов А.А. Глубинные электрические зондирования // Вестн. ЛГУ. Сер. Геология и география. 1981. № 18, вып. 3. С. 5–11.
Скороходов А.А., Колобов В.В. Дистанционное зондирование и обработка данных в режиме накопления (эксперимент «Мурман-2018») // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 4. С. 43–49. [Темат. вып. «Методические разработки для электромагнитных зондирований с управляемыми источниками»]. https://doi.org/ 10.21455/std2019.4-4
Смирнов Я.Б. Связь теплового поля со строением и развитием земной коры и верхней мантии // Геотектоника. 1968. № 6. С. 3–25.
Терещенко П.Е. Оценка эффективной проводимости подстилающей поверхности волновода Земля–ионосфера по результатам приема электромагнитных полей в средней зоне активного источника // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 4. С. 34–42. [Темат. вып. «Методические разработки для электромагнитных зондирований с управляемыми источниками»]. https://doi.org/10.21455/std2019.4-3
Терещенко Е.Д., Терещенко П.Е., Сидоренко А.Е. Поляризационные характеристики КНЧ–СНЧ магнитного поля, возбуждаемого линейным вибратором // Наука и технологические разработки. 2020. Т. 99, № 2. С. 5–15. https://doi.org/ 10.21455/std2020.2-2
Фельдман И.С., Жамалетдинов А.А. Флюидные и тепловые модели проводимости литосферы по лабораторным данным // Комплексные геологические и геофизические модели древних щитов: Материалы Всерос. конф. Апатиты: Геол. ин-т КНЦ РАН, 2009. С. 100–107.
Челидзе Т., Челишвили М., Хаташвили Н., Тогонидзе Д., Геладзе Г., Чанишвили З. Электрические и магнитные свойства горных пород при высоких температурах и давлениях. Тбилиси: Мецниереба, 1979. 269 с.
Чермак В., Рибах Л. Тепловое поле Европы. М.: Мир, 1982. 376 с.
Шафанда Дж., Чермак В., Биодри Л. Методы расчета распределения глубины температур // Изучение литосферы геофизическими методами. Киев: Наук. думка, 1987. Ч. 2. С. 102–118.
Шевцов А.Н. Обработка и интерпретация данных глубинного частотного зондирования в комплексе с аудиомагнитотеллурическими измерениями: Эксперимент «Мурман-2018» // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 4. С. 19–33. [Темат. вып. «Методические разработки для электромагнитных зондирований с управляемыми источниками»]. https://doi.org/10.21455/std2019.4-2
Шевцов А.Н., Жамалетдинов А.А., Колобов В.В., Баранник М.Б. Частотное электромагнитное зондирование с промышленными ЛЭП на Карело-Кольском геотраверсе // Зап. Горн. ин-та. 2017. Т. 224. С. 178–188. https://doi.org/10.18454/PMI.2017.2.178
Archie G.E. The electrical reistivity as an aid, determining some reservoir characteristcs // Transactions of the Amer. Inst. of Mining. 1942. N 146. P. 54.
Brantut N., Baud P., Heap M.J., Meredith P.G. Micromechanics of brittle creep in rocks // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. B08412. https://doi.org/10.1029/2012JB009299
Bürgmann R., Dresen G. Rheology of the lower crust and upper mantle: Evidence from rock mechanics, geodesy, and field observations // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 2008. V. 36. P. 531–567. https://doi.org/10.1146/annurev.earth.36.031207.124326
Burov E.B., Watts A.B. The long-term strength of continental lithosphere: «Jelly sandwich» or «creme brulee»? // GSA Today. 2006. N 16. P. 4–10.
Byerlee J.D. Frictional characteristics of granite under high confining pressure // J. Geophys. Res. 1967. V. 72, N 14. P. 3639–3648.
Cĕrmak V., Lastovičkova M. Temperature profiles in the Earth of importance to deep electrical conductivity models // Pageoph. 1987. V. 125. P. 255–284.
Clarс S.P., Ringwood A.E. Density distribution and constitution of mantle // Res. Geophys. 1964. N 1. P. 35–88.
Dragoni M. The brittle-ductile transition in tectonic boundary zones // Ann. Geophys. 1993. N 36 (2). P. 37–44. https://doi.org/10.4401/ag-4282
Fernandez M., Ranalli G. The role of rheology in extensional basin formation modelling // Tectonophysics. 1997. V. 282. P. 129–145.
Goetze C., Evans B. Stress and temperature in the bending lithosphere as constrained by experimental rock mechanics // Geophys J. R. Astr. Soc. 1979. V. 59. P. 463–478.
Guggisberg B., Ansprge J., Mueller St. Structure of the uppermantle under Southern Scandinavia from Fennolora data // First EGN Workshop, the Northern segment, Copenhagen, 28–30 Oct., 1983: Thesis docl. Copenhagen, 1983. P. 49–52.
Jackson J., McKenzie D., Priestley K., Emmerson B. New views on the structure and rheology of the lithosphere // J. Geol. Soc. London. 2008. V. 165. P. 453–465.
Keller G.V. Electrical properties in the deep crust // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1966. V. 11, N 3.
Kirby S.H. Rheology of the lithosphere // Rev. Geophys. 1983. V. 21. P. 1458–1487.
Kola Superdeep: Scientific results and research experience / Eds V.P. Orlov, N.P. Laverov. Moscow: Ministry of Nat. Res. of the Russian Federation, RAS, RANS, 1998. 251 p.
Moisio K. Numerical lithospheric modelling rheology stress and deformation in the Central Fennoscandian Shield. Acad Dis. Univ. of Oulu, 2005. 39 p.
Moisio K., Kaikkonen P. Geodynamics and rheology along the DSS profile SVEKA’81 in the Central Fennoscandian shield // Tectonophysics. 2001. V. 340. P. 61–77.
Ranalli G. Rheology and deep tectonics // Ann. Geof. 1997. V. XL, N 3. P. 671–680.
Sadovsky M.A. Experimental studies of the mechanical action of a shock wave of an explosion // Proc. of the Seismol. Inst. of the Acad. of Sci. of the USSR. 1945. N 116.
Sederholm J. Different types of preсambrian unconformities // Congrès Géologique International. CR 12 séssion, Toronoto, 1913: Ottawa: Impr. du gouverenment, 1914. P. 319–324.
Shevtsov A.N., Zhamaletdinov A.A. On the rheological and geoelectrical properties of the Earth’s crust // The study of continental lithosphere electrical conductivity, temperature and rheology / Eds A. Zhamaletdinov, Yu. Rebetsky. Springer, 2019. P. 54–64. (Springer Proc. in Earth and Environmental Sci.) https://doi.org/10.1007/978-3-030-35906-5
Shevtsov A.N., Zhamaletdinov A.A., Kolobov V.V., Barannik M.B. Frequency electromagnetic sounding with industrial power lines on Karelia-Kola geotraverse // Zap. Gornogo Inst. 2017. V. 224. P. 178–188. https://doi.org/10.18454/PMI.2017.2.178
Spichak V.V., Zakharova O.K. The subsurface temperature assessment by means of an indirect electromagnetic geothermometer // Geophysics. 2012. V. 77 (4). WB179–WB190. https://doi.org/10.1190/geo2011-0397.1
Spies B.R., Frischknecht F.C. Electromagnetic sounding // Electromagnetic methods in applied geophysics / Ed. M.N. Nabighian. 1992. P. 285–426. (SEG. V. 2).
The brittle-ductile transition in rocks / Eds A.G. Duba, W.B. Durham, J.W. Handin, H.F. Wang. AGU, 2013. 243 p. (Geophys. Monograph Ser. V. 56). https://doi.org/10.1029/GM056
Valle P.E. Sull'aumento di temperature nel mantello della terra per compressions adiabatica // Ann. Geofis. 1951. V. 5, N 4. P. 475–478.
Zhdanov M.S., Frenkel M.A. Migration of electromagnetic fields in solving inverse problems of geoelectrics // DAN USSR. Dokl. Earth Sci. 1983. V. 271, N 3. P. 589–594.
Zhdanov M.S., Keller G.V. The geoelectrical methods in geophysical exploration. Elsevier, 1994. 873 p.
Сведения об авторах
ШЕВЦОВ Александр Николаевич – Геологический институт Кольского научного центра РАН. Россия, 184209, Мурманская обл., г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14; Мурманский Арктический государственный университет (филиал в г. Апатиты). Россия, 184209, Мурманская обл., г. Апатиты, ул. Лесная, д. 29. E-mail: anshev2019-01@mail.ru
Жамалетдинов Абдулхай Азымович – Геологический институт Кольского научного центра РАН. Россия, 184209, Мурманская обл., г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14; Мурманский Арктический государственный университет (филиал в г. Апатиты). Россия, 184209, Мурманская обл., г. Апатиты, ул. Лесная, д. 29; Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН. Россия, 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 5, лит. Б; Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН. Россия, 184209, Мурманская обл., г. Апатиты, Академгородок, д. 21а. abd.zham@mail.ru