CC BY
170
Полетаева Е. В.
Доктор философии по наукам о Земле, Институт Геологии и Геофизики Национальной Академии Наук Азербайджана,
г. Баку, Азербайджан Полетаев А. В. кандидат геолого-минералогических наук, Институт Геологии и Геофизики Национальной Академии Наук Азербайджана,
г. Баку, Азербайджан
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ ЮЖНОГО КАСПИЯ ПО ГЕОФИЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ
Аннотация: В пределах Каспийского моря выполнено значительное количество геофизических исследований, но тем не менее вопрос изучения глубинного строения Южного Каспия до сих пор является дискуссионным. Анализ и сравнение опубликованных материалов разных авторов позволили установить различие типов земной коры в пределах Южного Каспия. В результате было установлено, что в Южном Каспии наблюдается как океанический, так и субокеанический тип коры.
Ключевые слова: Южный Каспий, сейсмотомография, земная кора, тип коры.
Poletayeva Е. V.
PhD in geosciences, Institute of Geology and Geophysics National Academy of Sciences of Azerbaijan,
Baku, Azerbaijan Poletayev А. V.
PhD in geosciences, Institute of Geology and Geophysics National Academy of Sciences of Azerbaijan,
Baku, Azerbaijan
STUDY OF THE EARTH'S CRUST WITHIN THE SOUTH CASPIAN BY GEOPHYSICAL DATA
Abstract: Much geophysical research has been done within the Caspian sea, but nevertheless a matter of study of deep structure of the South Caspian is still debatable. Analysis and comparison of published materials by various authors enabled to establish a difference of the earth's crust types within the South Caspian. as a result, it was determined that both oceanic and sub-oceanic types of crust is observed in the South Caspian.
Key words: South Caspian, seismotomography, crust, type of crust.
Первая информация о консолидированной коре (КК) Южно-Каспийской впадины (ЮКВ) была получена еще в конце 50-х годов прошлого века по материалам ГСЗ [1]. По встречным системам годографов преломленных волн было установлено, что граничные скорости в кровле и подошве КК очень высокие (6,4-6,7 км/с и 7,2-7,7 км/с соответственно), что типично для базальтового слоя. По данным ГСЗ авторами было установлено, что КК в западной части ЮКВ тонкая (8-10 км) и она опущена на большие глубины (ниже 22 км). КК ЮКВ [1] по материалам ГСЗ относилась к коре (суб) океанического типа.
После переинтерпретации материалов ГСЗ в конце 80-х годов ХХ века [3] было
установлено, что поверхность Мохо под ЮКВ образует мегасвод на глубинах 30-34 км, а КК в большей части впадины тонкая - 6-8 км. Верхняя часть КК характеризуется типичными для океанической коры значениями граничных скоростей Vp = 6,5-6,8 км/с, а нижней части соответствуют граничные скорости Vp = 6,8-7,9 км/с. Вдоль поверхности Мохо граничная скорость по данным [3] составляет > 8,0 км/с. Наличие тонкой коры океанического типа под осадочным чехлом ЮКВ отмечается также по данным функционального анализа волн от землетрясений [13].
В работе [7] представлен региональный сейсмостратиграфический разрез по субширотному геотраверсу, пересекающий ЮКВ с запада на восток. Автором применительно к глубокопогруженным ОБ подвижных поясов для сейсмостратиграфического расчленения и межбассейновой синхронизации одновозрастных единиц разреза разработана схема ранжировки сейсмостратиграфических подразделений геологического разреза. По объективным сейсмостратиграфическим критериям в осадочном чехле ЮКМВ им выделены 9 сейсмокомплексов. На сейсмостратиграфическом разрезе по субширотному геотраверсу, пересекающему ЮКВ, [7] отмечается океанический тип коры.
В статье [12] приведена гравитационная модель вдоль профиля, который пересекает Южный Каспий с СЗ на ЮВ. В основе модели были заложены данные мощности осадочной толщи, средняя плотность, скорость, структура и топография фундамента и Мохо вдоль изучаемого разреза, а также в работе автором за основу был взят региональный сейсмостратиграфический разрез по субширотному геотраверсу [7]. В результате совместной интерпретации данных [12] было выяснено, что проседание бассейна обусловлено чрезвычайным (сильным) утончением континентальной коры, или, что более вероятно, формированием океанической коры, которое произошло в средней-поздней юре в контексте задугового развития бассейна с возможным возобновлением деятельности в меловом периоде.
В работе [8] на нескольких профилях, отработанных в Южном и Среднем Каспии трестом КМНГР и СП «Caspian Geophysical методом СГ-ОГТ с временной разверткой 1620 с, выделены поверхности (кровля и подошва КК), которые более или менее уверенно автором отбились по динамике, рисунку и конфигурации отраженных волн и прослеживались по рубежам волновых полей или путем групповой корреляции. На временных разрезах поверхность фундамента им выделялась в виде секции прерывистых, относительно интенсивных субпараллельных отражений. Ниже 13-14 с (32-36 км) выделяется полоса скопления очень слабых, прерывистых и хаотически расположенных осей синфазности, по нижней кромке которой трассировалась поверхность Мохо. На разрезах профилей СГ-ОГТ в западной части впадины КК имеет мощность 6-8 км, а граничные скорости по данным ГСЗ - Vp = 6,5-6,8 км/с, что свидетельствует о ее океаническом типе. На этих профилях им отмечается погружение КК в северном направлении, и в районе Абшеронского порога ее поверхность достигает глубины 2830 км.
Заложенный базис исследований [15] позволил подойти к построению 2D гравитационной модели земной коры по субмеридиональному геотраверсу длиной 630 км, пересекающему Южно-Кас-пийскую впадину в направлении юг-север (от Центрального Эльбурса до Среднего Каспия). На этом разрезе хорошо отображен характер сочленения земной коры ЮКВ с континентальными блоками с юга и севера. Полученная модель глубинного строения интерпретируется совместно с данными фокальных механизмов землетрясений. Гравитационная модель глубинного строения земной коры и верхней мантии вдоль исследуемого профиля составлена методом подбора. Для компенсации наблюденного гравитационного поля осуществлен подбор плотностных границ верхней границы океанической коры и поверхности Мохо. В северной части полученной модели океаническая кора погружается под континентальную. Перед континентальной корой в океанической коре наблюдается изгиб, возможно связанный с процессом субдукции. В
середине профиля океаническая кора изогнута вверх.
Концепции, существующие относительно структуры и истории формирования Южного Каспия, многообразны [1, 3, 4, 7, 13, 12, 16, 8, 14, 15 и т. д.], противоречивы и до сих пор не позволяют сформировать единое представление о механизмах и особенностях развития земной коры Южного Каспия. Из обзора изученности данного вопроса вытекает необходимость более подробного рассмотрения геологического и тектонического строения региона.
Тектоническое строение.
Южно-Каспийская впадина входит в систему Куринского и Закаспийского межгорных прогибов, образующих как бы ее центроклинали. Она на большей своей части окружена альпийскими складчатыми сооружениями Малого Кавказа, Талыша, Эльбурса и Большого Кавказа (его погребенного погружения в море) рис. 1 [16]. Южно-Каспийская впадина принадлежит к наложенным структурам земной коры, возникшим на последнем орогенном этапе развития альпийской складчатой области. Эта впадина имеет овальную форму с длинной осью, ориентированной меридионально, протяженностью 400 км. Максимальная отметка глубины моря составляет 1050 м. Нижнекуринский, Абшероно-Кобыстанский, Западно-Туркменский, Предэльбурсский прогибы открываются во впадину и служат ее периферическими элементами. Глубоководная часть впадины состоит из двух котловин-северной, Азербайджанской, и южной, Иранской. Осадочный чехол Южно-Каспийской впадины расчленяется на два основных комплекса: мезозой-эоценовый и олигоцен-антропогеновый. По структуре олигоцен-антропогеновых образований во впадине Южного Каспия выделено несколько зон различного простирания, обусловленных различными соотношениями структурных планов древней и молодой складчатости: складчатая зона Бакинского архипелага, зона поперечной складчатости и зона широтной складчатости [6]. По структуре мезозой-эоценового комплекса образований впадина Южного Каспия с севера на юг разделяется на три основные зоны: Абшероно-Прибалханский прогиб, Южно-Каспийский блок древнего срединного массива и Ленкорано-Горганский прогиб [9]. Мощность консолидированной земной коры ЮКВ в ее пределах сокращается до 15-20 км. Местами мощность консолидированной земной коры впадины тонкая - 6-8 км, скорости продольных сейсмических волн, составляют 6.5-7.0 км/с. Граничная скорость вдоль поверхности Мохо высокая > 8,0 км/с. Мощность осадочного слоя достигает во впадине экстремальной величины в 25 км, причем не менее 10 км приходится на плиоцен-четвертичные отложения. Остальная мощность может приходиться на долю миоцена и олигоцена и поэтому вполне допустимо, что начало образования Южно-Каспийского глубоководного бассейна относится к концу эоцена - началу олигоцена.
Фундамент платформенных областей (1-4): 1 - раннедокембрийский; 2 -байкальский; 3 - герцинский; 4 - раннекиммерийский; альпийские складчато-покровные системы (5, 6): 5 - Большой Кавказ и Копетдаг; 6 - Малый Кавказ, Талыш, Эльбурс; 7 -передовые прогибы и впадины; 8 - впадины с корой океанического типа; 9 - разрывные нарушения, соответствующие границам крупных структур; 10 - прочие важные разрывы.
1 О2 Оз 14 Шь Об О7 ШвВвИю
Рис. 1. Важнейшие структурные элементы ЮКВ [16]
Важнейшие структуры (буквы в кружках): ТZ - Туаркырская зона, КВ - Средне-Каспийско-Карабогазская антеклиза, КD - Кусаро-Дивичинский прогиб, АР - Абшероно-Прибалханская зона, WК - Западно-Копетдагская зона, LС - складчатая система Малого Кавказа, АК - Нижне-Араксинский прогиб, ТL - Талышская зона, АG - Эльбурсско-Горганский передовой прогиб, WТ - Западно-Туркменский прогиб, GD - Гограньдаг-Окаремская зона.
Все эти изменения земной коры отражены изменчивостью плотностной неоднородности, что проявляется на гравитационном поле. Рассмотрим основные черты гравитационного поля в пределах Южного Каспия.
Аномалии гравитационного поля исследуемой области.
Интерпретация данных гравитационного поля ЮКВ [14] характеризуется аномалиями различных типов и амплитуд. В северной части бассейна наблюдается зона повышенных градиентов субкавказкого направления. Значение аномального поля составляет -100 мГал. В северо-западной части ЮКВ отмечается гравитационный минимум интенсивностью до -125 мГал. Центральная часть ЮКВ характеризуется как слабым по интенсивности гравитационным минимумом антикавказского простирания на западе, так и изометрическим максимумом гравитационного поля со значениями от 0 до 40 мГал, который соответствует поднятию Година на востоке. Южная часть впадины, а также зона центрального Эльбруса представлена слабой отрицательной аномалией (120 мГал). Таким образом, в пределах Южной Каспийской впадины наблюдаются разнообразные колебания значений гравитационного поля. Представляет значительный практический интерес изучение геологической природы аномалий по региональному профилю, пересекающему Южно-Каспийскую впадину в направлении запад-восток (от Куринского прогиба до Копетдага).
Результаты исследования земной коры Каспийского моря методом сейсмотомографии и ГСЗ.
Большую роль в изучении земной коры Каспийского моря играет информация, полученная при рассмотрении профилей ГСЗ 1-2 и 9 [5, 3], пересекающих Южный Каспий с юго-запада на северо-восток и выходящих на платформенную плиту. Эти профили (рис. 2) позволили определить принципиальные черты строения ЮКВ, глубину ее фундамента, мощность коры [2, 3]. На профилях ГСЗ 1-2, 9 [2, 3] пересекающих, среднюю часть Южного Каспия до Иранской акватории, верхняя часть КК
характеризуется значениями граничных скоростей Vp = 6,5-6,8 км/с. В низах КК значения скоростей достигают величин Vp = 6,8-7,9 км/с, типичны для основных и ультраосновных пород. Граничная скорость вдоль поверхности Мохо высокая ^р > 8,0 км/с).
В работе [2] было отмечено, что в осадочном чехле по общим профилям прослежено два слоя с пониженными скоростями на глубинах 7 -12 и 15 - 20 км. Разуплотнение пород, выделяемое на профиле, может быть связано с вертикальным разрывом и растрескиванием пород, которые распределяются как по разрезу, так и всей обширной зоне Южного Каспия, что подтверждается данными сейсмотомаграфии.
2 70 0 70 140 210 кш
Рис. 2. Схема расположения сейсмических профилей в Южном Каспии:
1 - профили ГСЗ, 2 - профили сейсмотомаграфических исследований
Данные сейсмической томографии [10, 11] по Южному Каспию показали, что три верхних слоя с пластовыми скоростями около 1,5; 2,3; 3,2 км/с незначительно меняющиеся по площади, слагают осадочную толщу на глубинах 20-34 км. В слое 1 также имеются узкие зоны относительно пониженной скорости. Такие полосы, очевидно, являются следствием термофлюидальной активности разломных зон. Слой 4 представляет собой фундамент осадочной толщи. Он состоит из блоков с «гранитными» (У8 = 3,43,8 км/с), «базальтовыми» и «мантийными» > 4,6 км/с) скоростями с мощностью слоя в основном составляющей 10-14 км, а местами достигающей 20-30 км. Здесь наблюдаются участки с сильно увеличенными мантийными значениями (уя = 5-6,2 км/с). Участки четвертого слоя со скоростями Vs < 3,8 км/с наблюдаются на западе и востоке Абшеронского порога, в западной части южного берега акватории, под Западно-Туркменской низменностью (за исключением Челекена). В пятом слое на большей части региона скорости понижены относительно таковых в четвертом. Пластовые скорости в нем существенно изменяются по площади. К югу и юго-западу от Абшерона наблюдаются минимальные значения скоростей от Vs = 2,4 до Vs = 2,8 км/с. Далее на юго-восток к Иранскому и восточному берегам Южного Каспия полоса, местами пониженных, У8 составляет до 2,9-3 км/с. Мощность слоя изменяется незначительно от 15 до 20 км, но однако в центральной части он утолщен до 35-47 км. Под, Абшеронским порогом слой
пониженной скорости относительно приподнят.
В результате обобщения и систематизации сейсмотомографических данных [10, 11] и данных ГСЗ [2, 3] построена модель из 5 слоев земной коры. Профиль 1 (рис. 2, 3) проходит субмеридионально через весь Южный Каспий. Анализ приведенной модели по профилю 1 (рис. 3) позволяет выделить три верхних слоя осадочной толщи со скоростями поперечной волны, слабо меняющимися по площади - от 2,6 до 3,1 км/с. Слой четвертый является фундаментом, а пятый - слоем от подошвы фундамента до границы М. На построенной модели видно, что от пикетов 50 до 300 в интервале глубин от 30 до 50 км выделяется зона сложной геологической информации. Скорости релеевской волны в верхней части интервала изменяются от 5 до 6,6 км/с, а в нижней от 2,4 до 3,2 км/с. В указанной зоне также можно выделить изменение скоростей по вертикали. В интервале пикетов от 50 до 100 наблюдаются значения скорости поперечной волны от 2,4 до 2,8 км/с, а в интервале пикетов от 150 до 250 скорости составляют от 3,0 до 3,2 км/с. Изменение волновой картины также выделяется и в интервале пикетов от 350 до 600. В целом по профилю 1 ниже подошвы пятого слоя выделяется зона с поперечными скоростями более 5,5 км/с.
3 50 150 250 350 450 550 650 750 850 В
Рис. 3. Модель земной коры Южного Каспия по профилю 1 (СЗ-ЮВ) направление, составленному автором по данным [5, 3, 2, 10, 11]. Условные обозначения: 1,2 - продольные и поперечные скорости, км/с;
3 а, б - зоны инверсии скорости, по данным [2, 3] и [10, 11] соответственно;
4 - зоны мантийных скоростей, км/с; 5 - поверхность фундамента; 6 - граница М; 7 - границы блоков
Полученная модель дала возможность проследить изменения консолидированной коры по СЗ-ЮВ профилю, проходящему через весь Южный Каспий (рис. 2, 3).
В северо-западной части профиля наблюдается прогибание консолидированной
коры. Консолидированная кора в этой части профиля залегает на глубине 26 км, а поверхность Мохо прослеживается на глубине 34 км. В Центральном Южно-Каспийском прогибе консолидированная кора отмечается на глубине 20 км. В северо-западной части Центрального Южно-Каспийского прогиба поверхность Мохо залегает на глубине 20 км, тогда как в юго-западной части Центрального Южно-Каспийского прогиба поверхность Мохо наблюдается на глубине от 35 до 37 км. На модели между пикетами 400-450 в Центральном Южно-Каспийском прогибе по поверхности фундамента и Мохо прослеживается глубинный разлом с направлением падения в СЗ сторону. В юго-восточной части профиля отмечается воздымание фундамента. Фундамент в этой области залегает на глубине от 20 до 15 км, а поверхность Мохо прослеживается в интервале от 30 до 33 км.
На основании полученной модели мощность консолидированной коры в Южном Каспии в пределах изучаемого профиля варьирует от 8 до 17 км. Поверхность Мохо в данной части ЮКВ залегает на глубинах от 30 до 37 км. Это означает, что тип коры в пределах изучаемой зоны ЮКВ не одинаков. Таким образом, в ЮКВ наблюдается как океанический, так и субокеанический тип коры.
Заключение
На основе сейсмотомографических данных построена модель земной коры Южного Каспия по профилю, пересекающему ЮКВ в направлении с СЗ на ЮВ. Установлено, что мощность консолидированной коры в Южном Каспии в пределах изучаемого профиля не одинакова и варьирует от 8 до 17 км. Поверхность консолидированной коры здесь прослеживается на глубинах от 15 до 26 км., а поверхность Мохо - от 30 до 37 км. Учитывая, что по данным ГСЗ в Южном Каспии граничные скорости по поверхности фундамента составляют
6,5-6,8 км/с, по границе внутри коры 6,9 км/с и вдоль поверхности Мохо (М) 8 км/с, можно сделать вывод, что в Южном Каспии наблюдается как океанический, так и субокеанический тип коры.
Список литературы
1. Аксенович Г. И. и др. Глубокое сейсмическое зондирование в центральной части Каспийского моря. Изд. АН СССР, Москва, 1962. - 152 с.
2. Баранова Е. П., Краснопевцева Г. Б., Павленкова Н. И. и др. Альпийская геосинклиналь Кавказа. В кн.: Сейсмические модели литосферы основных геоструктур территории СССР. М.: Наука, 1980. - С. 110-116.
3. Баранова Е. П., Косминская Н. П., Павленкова Н. И. Результаты переинтерпретации материалов ГСЗ по Южному Каспию. Геофизический журнал. № 12, 5. 1990. С. 60-67.
4. Гаджиев Р. М. Глубинное геологическое строение Азербайджана. Баку: Азгосиздат, 1965. - 200 с.
5. Гулиев И. С., Павленкова Н. И., Раджабов М. М. Зона регионального разуплотнения в осадочном чехле Южно-Каспийского бассейна // Изв. АН СССР, Литология и полезные ископаемые. № 5. 1988. С. 130-136.
6. Исмайлов К. А. Гасанов И. С. Современная структура Южно-Кас-пийской впадины и ее связь с глубинной тектоникой. В сб.: Геофизическая разведка на Каспийском море. М., «Недра», 1966. С. 86-105.
7. Мамедов П. З. Сейсмостратиграфические исследования геологического строения ЮКМБ. Автореферат докторской дисс., 1991.
8. Мамедов П. З., Изучение земной коры ЮКМБ по данным сверхглубинной сейсмологической службы АНАН. Баку, 2009. С. 134-147.
9. Шихалибейли Э. Ш., Гасанов А. Г., Тагиев Р. Э. и др. Основные черты строения мезозойских образований Южного Каспия по новым данным. «Доклады АН
Азербайджанской ССР», т. XXXVIII, № 9. 1982. С. 5-20.
10. Якобсон А. Н. Литосфера Южного Каспия. Томографическая модель. Отечественная геология, 2000. С. 34-45.
11. Якобсон. А. Н. Основные черты строения литосферы Южного Каспия по данным о сейсмической рэлеевской волне / Доклады Академии Наук, т. 353, 1997. С. 111113.
12. Brunet M. F. et. al. The South Caspian Basin a review of its evolution from subsidence modeling / Sedimentary Geology 156. Elsevier., Р. 119-148.
13. Jackson, J., Priestly, K., Allen, M., Berberian, M., 2002. Active tectonics of the South Caspian Basin // Geophys. J. Int. 148, 2003. Р. 214-245.
14. Kadirov F. A. Gravity model of lithosphere in the Caucasus-Caspian region. SOUTH-CASPIAN BASIN: geology, geophysics, oil and gas content. Baku, «Nafta-Press», 2004. - 333 p.
15. Kadirov, F. A., Gadirov, A. H. A gravity model of the deep structure of South Caspian Basin along submeridional profile Alborz-Absheron Sill, Glob. Planet. Change. 2014. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://dx.doi.org/10. 1016/j. gloplacha.2014.09.001.
16. Khain, V. E. The problem of origin and age of South Caspian Basin and its probable solutions. Geotectonics 1, 2005. Р. 40-44 (in Russian).
17. Knapp, C. C., Knapp, J. H., Connor, J. A. Crustal-scale structure of the South Caspian Basin revealed by deep seismic reflection profiling. Mar. Petrol. Geol. 21, 2004. Р. 1073-1081.
