24КАЛУЖСКАЯ КОЛЬЦЕВАЯ СТРУКТУРА - РЕЗУЛЬТАТ САМООРГАНИЗАЦИИ
ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
Э.Р. Казанкова, Н.В. Корнилова ИПНГ РАН
Методологической основой проводимых исследований является концепция, базирующаяся на представлениях о повсеместных проявлениях активных флюидодинамических процессов и неустойчивого поведения во времени реальной геологической среды. Фундаментальной основой этой концепции является признание спиралевидно-скручивающих движений (ССД) масс Земли как единого механизма самоорганизации геологического пространства. В условиях несовпадения поступательного смещения твёрдых, жидких и газообразных масс Земли с её вращением возникают разноуровневые и разномасштабные пространственно-временные структуры (Н.Н. Сигачева, А.Л. Шейнкман, 1995 г.). Спиралевидно-скручивающаяся система напряжений реализуется в виде адекватного этой системе деформирования горных масс и движения флюидов вдоль ослабленных проницаемых зон, возникающих по плоскостям деформаций. При этом сжимающие и растягивающие напряжения приводят к деформационно-разрушительным последствиям, которые предопределяют облик земной поверхности.
Такой механизм функционирует на разных глубинах и предопределяет развитие разномасштабных геологических процессов. Эллипсоидная форма блоков земной коры при движении способствует их поворотам и одновременному образованию на их границах ротационных сдвигов, сдвиго-раздвигов, сдвиго-надвигов, надвигов, взбросов и сбросов. Структуры таких типов наблюдаются повсеместно [1-6].
Существуют различные мнения о природе Калужской кольцевой структуры (В.Г. Петров 1969 г., 1971 г., В.Л. Масайтис, 1974 г., 1975 г., А.А. Маракушев, 1981 г., А.П. Пронин и др., 1997 г., В.П. Еспов, 2008 г., Е.Г. Журавлев, А.П. Зубарев, Д.С. Королев, С.А. Хан, 2006 г.).
В основе наших исследований лежит системный анализ неустойчивого состояния геолого-геофизической среды и принципиально новая геодинамическая интерпретация геолого-геофизической информации, основанная на использовании механизма взаимосвязи и соподчинения напряженно-деформированного состояния литосферы, движения блоков и миграции флюидов. Геодинамические эффекты могут быть кратко-,
средне- и долгосрочными, обусловленными природными и техногенными процессами и, используя их как диагностический признак многих геодинамических явлений, можно объяснить условия формирования геологических структур, периодически испытывающих деформации сжатия-растяжения разной амплитуды и частоты; ортогональных и диагональных систем разломов; участков с дифференцированными вертикальными движениями земной коры [1, 2].
О структуре земной коры накоплена огромная информация. Пространственному размещению морфоструктур, линеаментов и других структурных элементов планеты посвящено множество геофизических и геологических работ. В земной коре выделяются закономерные сетки, образованные линеаментами, разломами, трещинами. Эти сетки имеют локальный, региональный и глобальный характер. Планетарные системы разломов могут рассматриваться как глобальные системы центрально-симметричных зон тангенциальных сжатий и растяжений литосферы, поднятий и опусканий, разделяемых кольцевыми деструктивными зонами. В.В. Белоусовым и его сотрудниками при обработке данных о конфигурации и простирании тектонически-активных областей на разных этапах развития Земли была отмечена закономерность: всегда во всех геотектонических циклах тектонические движения создавали системы структур двух взаимно перпендикулярных направлений (меридионального и широтного) и двух - диагональных к ним.
Закономерности, установленные для ранее изученных объектов, не являются уникальными особенностями этих конкретных структур. Таким образом, не только морфология, но и степень заполнения пространства практически идентичны для современных и глубинных комплексов. Это свидетельствует о когерентности процессов самоорганизации в необычайно широком интервале масштабов, от минерального зерна до литосферы в целом, и объясняется тем, что напряженное состояние земной коры представляет собой один из ведущих факторов, определяющих характер тектонических, сейсмических, магматических, метаморфических, гидрогеохимических процессов и особенности широкого спектра связанных с ними явлений [2].
Задача определения напряженно-деформированного состояния геолого-геофизической среды довольно сложная. Применение привычных моделей механики сплошных сред к описанию деформационных процессов в реальной блочной среде затруднено. Напряженно-деформированное состояние геологической среды определенной территории выявляется в результате анализа иерархической структуры и соподчиненности
глобального, регионального и локального уровней деформаций литосферы в пространстве и во времени. Любая система сбалансированных напряжений независимо от того, какими силами она обусловлена (сжимающими, растягивающими или скручивающими), может быть разложена на три главных напряжения, ориентированных под прямыми углами друг к другу (Н.Дж. Прайс, 1966 г.). Большие значения дифференциального напряжения определяют разрушение посредством скалывания, а небольшие - растяжения. Во многих случаях оба способа разрушения пород проявляются совместно и при этом трещины растяжения дополняют зоны скалывания и наоборот (Н.Дж. Прайс, 1975 г.; Дж.Т. Уилсон, 1985 г.).
В результате анализа напряженно-деформированного состояния ВосточноЕвропейской платформы (масштаб 1:2 500 000-1:500 000) определены размеры зоны Калужско-Бельских дислокаций, в которой проявляется система главных напряжений. Калужская кольцевая структура находится в центральной части, линейно вытянутой вдоль трещины растяжения зоны Калужско-Бельских дислокаций - субпараллельных нарушений, протягивающихся с северо-запада на юго-восток под углом около 45о к меридиану (рис. 1). О характере напряжения - растяжении свидетельствует погружающаяся поверхность фундамента. Зона дислокаций клиновидно расширяется по обе стороны от Калужской кольцевой структуры. Ее наиболее узкая часть (5-7 км) расположена вблизи кольца, а наиболее широкая (15-20 км) - равно удалена от центра на расстояние около 60 км. Поверхность фундамента в зоне дислокаций погружается от 900 м до 1400 м ниже уровня моря на наиболее широких ее участках [7].
На рис. 1 видно, что юго-восточная часть вектора главного максимального напряжения, начиная со среднего девона, как минимум дважды меняла свое направление. Об этом свидетельствуют три трещины отрыва, субпараллельные плоскости максимального напряжения. В этих условиях волна главного среднего напряжения будет закручиваться «вьюном», т.е. по спирали. Волна такого типа представляет собой спиральный солитон (А.Т. Филиппов, 1990 г.). Калужский спиральный солитон наиболее отчетливо устанавливается в объеме 15 х 15 х 15 км одноименной локальной системы. Плоскость симметрии занимает вертикальное положение, через нее в центре Калужской кольцевой структуры проходит вертикальная ось скручивания солитона. Скручивание горных масс вокруг вертикальной оси солитона началось в среднем девоне и сопровождалось их разрывом вдоль южного отрезка плоскости симметрии на 25-30о [7].
Освободившееся пространство послужило каналом для проникновения магматического материала и образования брекчий среднего состава. Рассматриваемая модель позволяет предположить, что геологическая среда в центральной части на глубине 7-8 км (центр кольцевой структуры) неустойчива, поскольку здесь система работает как на поглощение энергии, так и на ее «излучение» (выброс), но при этом энергия всегда движется по спирали.
В процессе скручивания оформилась Калужская кольцевая структура, представляющая собой конус, вершина которого находится на глубине около 8,5 км. Эта структура, ограниченная конической плоскостью ротационного сдвига, выделяется за счет соответствующей сдвигу деформации фундамента (рис. 1).
В зоне деформации шириной около 1 км наблюдается флексурный изгиб слоев, свидетельствующий о сдвиговом смещении горных масс с внешней стороны кольца к центру и вниз, в область скручивания солитона. В результате этого фундамент в центре структуры погружен на глубину более 1300 м, в то время как в краевой части кольца он расположен на глубине около 800 м, а на периферии - снова погружается на глубину до 1000 м (рис. 2) [8]. Флексурные изгибы сопровождаются трещинами отрыва, расположенными под углом около 45о к плоскости сдвига. Таким образом, вдоль конической плоскости ротационного сдвига выявляется ослабленная проницаемая зона. В вышележащих толщах чехла сдвиг горных масс сопровождается формированием складок волочения, поднимающих рельеф бассейна осадконакопления на краю кольцевой структуры, что обусловливает уменьшение здесь мощности осадков (рис. 3), а в пробуренных скважинах - неоднократное повторение разреза (рис. 4-5) [7, 8].
Калужская кольцевая вулкано-тектоническая структура (В.Г. Петров, 1969 г.; 1970 г.; 1974 г.) - довольно крупная, сложная и совершенно своеобразная структура (см. рис. 2), связанная с кольцевыми разломами, гармонично выраженная в фундаменте и во всех горизонтах. Кальдере и кольцевому поднятию фундамента соответствуют согласные формы в осадочных отложениях - округлая Камельгинская мульда (скв. Камельгинская - 1, 2, 3) и окружающий ее кольцевой вал. При этом вверх по разрезу осадочной толщи уменьшаются амплитуды и разрывных, и пликативных нарушений. Вследствие этого структура становится все более расплывчатой. Фундамент в районе Калуги сложен биотит-эпидотовыми, биотит-роговообманковыми гнейсами, гранито-гнейсами и гранодиоритами архея, кристаллическими сланцами и гранитами нижнего
протерозоя (М.М. Веселовская, 1963 г.). В породах сильно выражены явления мигматизации. Местами по этим породам развита мощная (до 27 м) кора выветривания.
Особенности Калужской кольцевой структуры обусловлены, главным образом, морфологией фундамента и нижней части платформенного чехла, образующими в плане округлую замкнутую систему (см. рис. 2). Разрывные нарушения фиксируются по комплексу признаков двух и даже трехкратному повторению маркирующих горизонтов в одной и той же скважине (см. рис. 4-5) или по резким изменениям абсолютных отметок этих горизонтов на соседних близко расположенных скважинах) [8]. Кроме того, разрывные нарушения определяются по резким перепадам глубин преломляющих горизонтов и зонам отсутствия корреляции сейсмических волн. Кольцевым разломам соответствуют зоны высоких градиентов силы тяжести. Разломы представляют собой системы субпараллельных трещин (сбросов и взбросов), наклоненных во внешнюю сторону. Судя по особенностям строения верхней части осадочного чехла, центральный блок имеет сложное мозаичное строение. Мощность верхнедокембрийских отложений в грабене превышает 400 м, то есть, в 2-3 раза больше, чем с внешней стороны структуры. В верхней части осадочного чехла, по-видимому, имеются зоны повышенной трещиноватости пород, которые служат естественными каналами для подъема в ряде мест напорных минерализованных вод из девонских отложений на дневную поверхность (Резванский и Росвянский источники).
Калужская кольцевая структура характеризуется сложным тектоническим строением и по ряду генетических и морфологических признаков является необычной для центральных районов Восточно-Европейской платформы (В.Г. Петров,1974г.). Платформенный чехол структуры представлен отложениями венда, среднего и верхнего девона, нижнего и среднего карбона и четвертичными (см. рис. 3). Своеобразие структуры определяется наличием кольцевых разломов в фундаменте и нижней части платформенного чехла; присутствием вулканогенных пород - эффузивов, туфолав, туфов, туффитов, брекчий кристаллических пород; резко и беспорядочно изменчивыми углами наклона слоев верхнедевонских и пярнусских отложений. Вверх по разрезу осадочного чехла уменьшаются амплитуды и разрывных, и пликативных нарушений, вследствие чего вся структура становится более широкой и расплывчатой. Однако кольцевой характер структуры при этом весьма четко сохраняется.
Подобный механизм формирования геологических структур установлен на Восточно-Европейской, Сибирской платформах, в других районах ([2]; Н.В. Введенская, 1998 г.; В.А. Сараев, 1998 г.; Н.Н. Сигачева, А.Л. Шейнкман, 1995 г.). Особенностью этого механизма формирования геологических структур является наличие ослабленных проницаемых зон, образовавшихся на границах ротационных сдвигов (сдвигов со скручиванием), сдвиго-раздвигов, сдвиго-надвигов и других. Отмеченные ослабленные проницаемые зоны могут быть не связаны со взбросами или сбросами.
Подтверждением существования таких структур являются результаты исследований А.В. Авдонина и А.И. Полетаева (1997 г.) в районе Северного Тянь-Шаня, где на фоне «стандартного» линеаментного поля, образованного ортогональными и диагональными линеаментными системами, четко выделяется «аномальное» линеаментное поле, все составляющие которого повернуты по отношению к составляющим стандартного поля на 20-40о против часовой стрелки. Чолойская структура является как бы осевой структурой поворота земных масс данного региона против часовой стрелки, а образование Сонгкельской дуги, подобно образованию других дуг, обусловлено левосторонним вращением земной коры Присонгкельского блока.
Прослеживается достаточно близкая аналогия Калужско-Бельской зоны дислокаций с зонами пересечения Березовско-Ванаварского, Чадобецко-Иркинеевского, Ангаро-Хетского и Норильско-Марковского разломов (район Тунгусского события) [9]. А с учетом соседствующего Хушминского палеовулканического комплекса этот район можно рассматривать как участок перестройки напряжений сжатия. То есть, произошел скачкообразный переход системы в новое состояние, разрядка напряжений, которая привела к активизации тектонических процессов, проявившихся в регионе.
После тщательного и всестороннего осмысления, понимания процессов взаимосвязей причин и следствий, которые стоят за самими фактами и представлениями о них, возможно, выяснится, что Калужская кольцевая структура - кратковременное непериодическое явление в окружающей среде, то есть, она вероятно, является результатом нелинейной геодинамики и глобальной структурной перестройки на всех уровнях организации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Казанкова Э.Р., Судо Р.М. Нелинейная геодинамика и экология недр (с позиции самоорганизации полей напряжений) // Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности. М., 2000. С. 359-364.
2. Казанкова Э.Р., Корнилова Н.В., Судо Р.М. Закономерности формирования геологических структур с позиции нелинейной геодинамики // Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности. М.: ГЕОС, 2002. Вып. 2. С.85-98.
3. Иванюк Г.Ю., Горяинов П.М., Егоров Д.В. Введение в нелинейную геологию. Апатиты: КНЦ РАН, 1996. 185 с.
4. Летников Ф.А. Синергетика геологических систем. Новосибирск: Наука, 1992. 232 с.
5. Нелинейная геодинамика: Сб. науч. тр. М.: Наука, 1994. 191 с.
6. Структурный анализ при палеогеодинамических реконструкциях. М.: Наука, 1997. 450 с.
7. Казанкова Э.Р. Принципы системной организации полей напряжений в литосфере // Газовая промышленность. 1997. №7. С. 39-42.
8. Казанкова Э.Р., Корнилова Н.В. Геоэкологические проблемы подземных хранилищ газа (на примере Московского региона) // Бюллетень МОИП, отдел биологический. 2009. Т. 114, Вып. 3. Приложение 1, часть 1. С. 388-397.
9. Казанкова Э.Р. Тунгусское событие как результат самоорганизации геологического пространства // 90 лет Тунгусской проблемы: Тез. межд. конф. Красноярск, 1998. С. 26.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Рис. 1. Распределение главных напряжений в зоне Калужско-Бельских дислокаций и напряжений скручивания спирального солитона Калужской кольцевой структуры, схема составлена на основе структурной карты поверхности фундамента (В .Г. Петров, 1973 г.), масштаба 1: 500 000.
Главные напряжения: 1 - максимальное (Бг - в среднем девоне, Рг/Мг - на конец палеозоя, Е - в палеогене, 0 - на современном этапе), 2 - среднее, 3- минимальное; 4 - разломы (по геофизическим данным); 5 - скважины, вскрывшие фундамент; 6 - изогипсы поверхности фундамента, км [7]
1
4 1—15
Рис. 2. Структурная карта Калужской кольцевой структуры (масштаб 1:100 000) 1 - изогипсы поверхности фундамента; 2 - основные кольцевые разломы; 3 - прочие разрывные нарушения; 4 - линеаменты, сопоставляемые с разрывными нарушениями; 5 - линия геологического разреза [8]
Рис. 3. Схематический геологический разрез Калужской кольцевой структуры по линии 1-1 (В.Г. Петров, 1974 г.), стрелками показано направление сдвига [7]
Рис. 5. Интерпретация нижней части разреза скважины № 55 Калужской площади (А.В. Кацман, 1964 г.)
Рис. 4. Интерпретация нижней части разреза скважины № 54 Калужской площади (А.В. Кацман, 1964 г.)
