CC BY
35
А. Л. Алейников и др. // Геотектоника. 1969. X? 6. С 100-103.
15. Оценки региональных напряжений в верхней части земной коры Среднего Урала и Пермского Приуралья / В. В. Хронусов. С. А. Константинова и др. //ФТПРПИ. 1999. №4 . С. 33-42.
16. Сеченов Б. Г.. Ананьева £ А/. Берлянд //. Г. Отчет партии региональной геофизики по теме: «Изучение особенностей физических полей Урала по основным структурно-формационным зонам с целью глубинного обоснования их металлегени-ческой специализации и прогнозной оценки на комплекс полезных ископаемых». Свердловск, 1981.385 с.
17. Трубицын А. П.. КарасеваА. А. Упругое напряжение, связанное с неровностями плотностиых границ раздела в Земле // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1979. №12. С. 15-22.
18. Трубицин А. П. Неровность плотностных гранки раздела как источник напряжений в коре и мантии // Изучение Земли как планеты методами астрономии, геодезии и геофизики. Киев: Наук, думка. 1982. С. 39-46.
19. Турчанинов И. А.. Марков Г. П. Влияние новейшей тектоники на напряженное состояние пород Хибинских апатитовых рудников // Изв. АН СССР Физика Земли. 1966. № 8. С. 83-86.
20. Турчанинов И. А Некоторые представления о напряженном состоянии горных пород // Прикладные задачи механики горных пород. М.: Наука. 1977. С. 18-21.
21. Турчанинов И. А.. Панин В II. Геофизические методы определения и ко»гтроля напряжений в массиве. М.: Наука. 1976. 163 с.
22. Хает П.. Нияьсон Т. Измерение напряжений в скальных породах и их значение для строительства плотин// Проблемы инженерной геологии. 1967. Вып. 4. С. 13-21.
23. Хендин Д. Прочность и пластичность // Справочник фнзтеских констант горных порол. М.: Мир, 1969. С. 211-273.
24. ШерманС. И. Борняков С. А.. Будда В Ю Области динамического влияния разломов. Новосибирск: Наука. 1983. 112 с.
25. Шерман С. И Физические закономерности развития разломов земной коры. Новосибирск: Наука. 1977. 102 с.
УДК 550.831
О ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ НИЖНЕ-ТАГИЛЬСКОЙ АНОМАЛИИ ГИЛЫ ТЯЖЕСТИ
К. В. Вапдышска
Статья посвящена решению задачи по оценке геологической природы источника Нижне-Тагильской аномалии в папе силы тяжести, что обусловлено недостатком представления ее формирования. Ранее выполненные исследования свидетельствуют лишь о предварительной оценке геологической природы источника. Количественный анализ аномалии в поле силы тяжести позволил получить представление о форме, размерах, относительной плотности и пространственном положении ос источника. Это позволило сделать вывод, что источником аномалии является сформировавшаяся в зоне главного глубинного шва.
Ключевые слова: Нижне-Тагильская аномалия, гравитационное поле, плотностная неоднородность, трехмерная слоистая модель, количественный анализ, протрузня.
The article is devoted to the task of evaluation of a geological nature of a source of Nizhny Tagil anomaliy in the gravity field, that is the reson of incomplete concept of its formation. Previously investigations showed only preliminary assessment of the geological nature of the source. The quantitative analysis of the anomaly in the gravity field has allowed to get an idea about the shape, size, relative density and the spatial position of the source. This led to the conclusion that the source of the anomaly is formed in the deep zone of the main scant.
Key words. Nizhny Tagil anomaly, gravity field, density inhomogeneity. three-dimensional layered model, a quantitative analysis, protrusion.
Введение
В 70-х годах прошлого века в Тагило-Кушвинском железорудном районе гравиметрической съемкой масштаба 1:50 ООО была закартирована аномалия в ноле силы тяжести, плановые размеры которой превышают площадь района. 1£с максимальная интенсивность за вычетом регионального фона более 60 мГал. Аномалия в плане имеет форму вытянутого в меридиональном направлении овала, полуоси которого по замкнутой изоаномале 15 мГал равны соответственно 24 и 7 км. Средний горизонтальный градиент западной части аномалии около 90 Е, восточной - 60 Е. Это свидетельствует о том, что источник аномалии имеет, возможно, восточное падение Пространственно территория, на которой расположены все месторождения и рудопроявления района, в поле силы тяжести является восточной градиентной частью аномалии (рис. 1).
Расположение месторождений и рудопро-явлений вблизи аномалии, ее геометрические и амплитудные характеристики стали основанием для »пучения геологической природы данной аномалии. В районе аномалии самыми плотными геологическими объектами являются небольшие тела габбро и пироксенитов, образующие так называемую группу баран-чинских гипербазитовых тел [2). Поэтому можно предположить, что эти тела представляют собой фрагментарные выходы на уровень эрозионного среза плутона гипербазитов. являющегося как плотностная неоднородность источником аномалии [3].
Выполнив интерпретацию графическим методом, Б. Г. Семенов (1981) объяснил аномалию двумерным пластообразным телом плотностью 3,10 г/см', падающим на восток под углом 50°, нижняя кромка которого находится на глубине 12 км. Границей лежачего бока пласта, по мнению Б. Г. Семенова, служит глубинный разлом, являющийся одновременно западной границей Та г ил о-Магнитогорского прогиба. Плотность пласта соответствует плотности гипербазитов.
В работе [7] описаны результаты интерпретации аномалии исходя из трехмерности ее источника в форме вытянутого в меридиональном направлении тела сложного строения, падающего на восток, нижняя кромка которого
находится на глубине около 5 км. Верхняя часть тела уплощена в виде стратиф ицирован-ной залежи и параллельна поверхности земли. Ее фрагменты и картируются как баранчинская группа гипербазитовых тел. Плотность источника определена постоянной и равной 3,12 г/см5.
Недостатки обеих моделей источника аномалии очевидны из-за слишком упрощенного подхода и методики ее интерпретации, особенно это относится к варианту шггерпретации, предложенному Б. Г. Семеновым. По результатам обоих вариантов интерпретации можно сделать уверенный вывод лишь о плотности вещества аномалисобразуюшего источника (3,10-3,12 г/см') и о направлении его падения (восточное); оба варианта интерпретации дали очень разноречивые данные о глубине залегания нижней кромки аномалиеобразующего объекта (12 и 5 км) и особенно о ее форме. Авторы интерпретации единодушны в предварительной оценке геологической природы источника - это интрузивное тело или конкретный, согласно работе [7), плутон гипербазитов. Но авторы не попытались определить, как сформировалось интрузивное тело.
В связи с этим нами была выполнена интерпретация Нижне-Тагильской аномалии в поле силы тяжести с использованием более совершенного метода решения обратной задачи (4, 5).
Исходные данные
Исходными данными для решения задачи по оценке геологической природы Нижне-Тагильской аномалии в поле силы тяжести послужили: геологическая карта Тагило-Кушвинского района, масштаба 1:200000 [2] (рис. 2), карта изоаномал силы тяжести в редукции Буге масштаба 1:50 000 (см. рис. 1), геолого-геофизический разрез земной коры по широтному Нижне-Тагильскому профилю, данные о плотности горных пород района [6]. результаты интерпретации, полученные Б. Г. Семеновым и другими авторами [7].
Методика интерпретации
Важнейшим элементом методики интерпретации в любом геофизическом методе является выделение из суммарного аномального
поля той его части, которая наиболее полно и наименее искаженно характеризует изучаемый геологический объект. Эта задача решается различными способами преобразования или трансформации. Наименьшие искажения в результаты преобразования поля вносят линейные способы, в частности. способ межпрофильной корреляции.
Анализ морфологии аномального поля (см. рис. 1) и глубинного строения земной коры по Нижие-Тагильскому профилю показал, что Нижне-Тагильская аномалия является фрагментом более крупной ре гио-налыюй аномалии типа «гравитационная ступень», источником которой служат два различных по плотности блока земной коры. В структурно-тектоническом отношении западным блоком является Центрально-Уральское поднятие (ЦУГ1), а восточным-Тагильский прогиб (ТП). Погео-лого-геофизическим данным [7] блоки разделены зоной глубинного шва (Главного Уральского глубинного разлома), падающего на восток под углом 50°, по данным В. Г. Семенова, и 45° - по нашим данным.
Эти обстоятельства позволили. а>сали-зируя морфологию аномалии по серии субширотных профилей, выделить мето-
Рис. 1. Геологическая карта Тагило-Кушвинского района (Геология СССР..., 1973).
Условные обозначения: /-10- вулканоосааочный комплекс: I - лайсжая свита. 2 - бандейская свита. 3 - туринская свита, 4- тагило-кушвинская. 5.6- именновская свита. 7.8- гхтьянская свита. 9 - нсрасчленснные то.ини именновской и кабансюй свит. 10- кабанская
свита; П-20 - интрузивный комплекс: 11 - микросисниты субинтрузивного облика. 12 - сменила субшслочные. 13 - сиениты извеспоово-щелочные и сиенито-диориты. 14- лиориты. 15 - нлагиограниты и граниты. 16 - кварцевые лиориты. 17- кварисолсржашис лиориты. 18- габбродиориты, 19- габбро. 20 - пнроксениты; 21 - зеленые сланцы, рассланцованные породы; 22 - роговики
и комплекс мслюкрнистых порол; 23 - пироксен-скаполитовые, пироксен-плагиоклазовые мстасоматиты. скарны: 24-26 - р>ды; 27- дошггрузивные разломы; 28 - дорудные. интрарудные и пострудные разломы: 29 - железорудные месторождения (рудонроявления)
Рис. 2. Схема кзоаномал силы тяжести аномального поля Тагило-Кушвинского железорудного района.
Услс иные обозначения:
- иэоаномалы пазя силы тяжести (в условном уровне, в условных единицах),
• -месторождения.
Скарново-медные месторождения: 1 - Мысовскос. Скарновос-медно-мушкстовнтиые месторождения: 2 - Половинкинское. Скарново-магиетитовыс месторождения: 3 - С.-Гороблагодатское; 4 - Дальнее; 6 -Гороблагодатсмое: 7- Валуевсмое: 8- Вост.-Валуевсюое: 9- Назаровсю>е; 10-Алферовское; /5 - Жсребиовское; 20 - Безымянсное; 21 - Хххинское; 22- Марфинское; 23 - Лагерное: 24 - Вочевснос: 26 - Новолсбяжияское; 27 - Лебяжинскос; 28 - Андреевское; 30- Высоко горе кое; 32 - Гальянсмое: 33 - Голый Камень; 34 - Юдихинсяос; 37- А-5-55; 38 - А-6-55. Скаюлит-магиетитовыс. полсвошпат-магнетиговые месторождения: 5- г. Думная; ¡9-Южно-Клюевсюс: 35 - Осокинсюс: 36 - Александровсмое; 25 - Еспонинское; Мсдно-жслсзо-ваналиевые месторождения: 12. 13, 14. Титаномагнетитовыс месторождения: ¡5 - Севсро-Баронсюе: 16 - Баронское: 17- Клюеве кос. Мсдно-магнетитовые месторождения; II - Рублевское; 29- Черсмшанское; 31 - Меднорудянскос
- горизонтальные проекции рудных тел. 11.1-6 - интерпретационные профили, но которым были построены петроологностные разрезы
дом мсжпрофилыюй корреляции аномальный эффект, обусловленный аномалиеоб разую шим объектом. Из картины фафического изображения фавитационного поля на рис. 1 следует, что аномалиеобразуюший объект имеет меридиональное простирание без отклонен ия его продольной оси в северо-северо-западном направлении, как об этом можно было 5ы говорить на основании морфологии исходного аномального поля.
Аномалия типа «гравитационная ступень», характеризующая региональный фон, была проинтерпретирована графическим методом Е. А. Мудрсиовой для определения угла падения контактной разломкой зоны между ЦУП и ТП. Было установлено, что величина угла падения практически не изменяется по простиранию разломной зоны, а его средняя величина составляет 45°.
На основании результатов интерпретации Б. Г. Семенова и работы [7J было построено нулевое приближение модели плотностной неоднородности, которое затем было использовано как основа для решения обратной задачи с помощью пакета программ ADG-3D [4. 5], который обладает следующими достоинствами: не накапливаются ошибки вычисления, что позволяет определять большое количество параметров аномалисобразующих объектов, используя фафичсскос редактирование модели в процессе решения обратной задачи: табличная форма описания модели; представление результатов интерпретации в форме карт, фафиков и разрезов.
В пакете программ ADG-3D за основу (нулевое приближение) принята фехмер» ая слоистая модель среды с криволинейными фаницами раздела. Первой границей служит дневная поверхность (положение которой слегка искажают, во избежание ошибок вычисления), последняя - соответствует положению нижней кромки аномалисобразующего объекта. Каждый слой модели аппроксимируется совокупностью прямоугольных параллелепипедов, размеры которых в плане задаются интерпретатором исходя из масштабов объекта (в нашем случае 2,5x7,5 км). Вертикальные размеры параллелепипедов изменяются в ходе решения обратной задачи в соответствии с гипсометрией границ раздела. Плотность слоев задастся априорно. В пределах каждого
слоя плотность задастся постоянной; в разных слоях она может быть различной.
Физические и геологические результаты интерпретации
Количественный анализ аномалии в поле силы тяжести позволил получить представление о форме, размерах, относительной плотности и пространственном положении ее источника (рис. 3):
- плотностная неоднородность вытянута в меридиональном направлении, и се размеры по простиранию определены в 15 км,
- размеры неоднородности в крест се вытя-нутости переменные; наибольшую ширину-, равную 7 км. она имеет в средней части, а к дистальным частям происходит ее выклинивание; в центральной части неоднородность состоит из двух фрагментов, разделенных узкой зоной пониженной плотности;
- до глубины около 5 км западный и восточный контакты неоднородности с вмещающей средой являются субвсртикальными; основная масса неоднородности находится в интервале глубин от 0 (дневная поверхность) до 5 км; этим и объясняется вывод, полу ченный в работе [7], о глубине залегания нижней кромки неоднородности на глубине 5 км;
- на глубине более 5 км происходит резкое уменьшение горизонтальной мощности неоднородности и ее выклинивание; место выклинивания совпадает с осевой линией глубинной шовной зоны;
- по рис. 3 очевидно, что плотность вещества в пределах неоднородности непостоянна (как в вариантах интерпретации Б. Г. Семенова и в работе [?)); наибольшей плотностью (3,40-3,44 г/см3) характеризуется центральная часть неоднородности; к се периферии плотность уменьшается до 3,10-3,12 г/см'; в западном интервале плотность убывает быстрее, чем в восточном; следовательно, можно предположить, что вблизи западного контакта неоднородности н вблизи восточного физико-геологические обстановки формирования неоднородности были различными;
- пространственно неоднородность приурочена к главной шовной зоне, т. с. находится в зоне главного глубинного разлома.
ЦУГИ , *тп 110 . 120 130
Нам
▼
ГШ/ с
Рис. 3. Результаты интерпретации аномалии в поле силы тяжести по программе Л1Х1-ЗП по 3-му профилю.
Условные обозначения: / - изолинии плотности; 2 - предполагаемое положение осевой линии зоны листричесюго разлома; 3 - граница Мохоровичнча; 4 - граница между Центрально-Уральским поднятием £ЦУП) и Тагильским прогибом (ТП); 5 - шкала плотности
Уменьшение углов падения контактов с глубиной (т. е. выклинивание неоднородности на шубинс около 12 км) позволило предположить. »по с глубиной происходит уменьшение и угла падения главной шовной зоны. Это предположение было проверено путем повторного количественного анализа региональной аномалии («гравитационной ступени»). В результате было получено эквивалентное решение. из которого следовало, что источником региональной аномалии может быть контакт между ЦУМ и ТП как с постоянным углом наклона, равным 45-50°, так и с переменным от 90° вблизи дневной поверхности до 20-30° вблизи подошвы земной коры. Таким образом, не исключено, что главная шовная зона может представлять собой листричсский разлом, в зоне которого и сформировалась плотностная неоднородность.
Какова же вероятная геологическая природа данной неоднородности? Известно [ 1 ], что главный глубинный шов представляет собой мощную зону нарушений, уходящую через «базальтовый» слой глубоко в мантию. В зоне _64 '
главного глубинного шва происходит погружение поверхности Мохоровичнча. В пределах Тагильской мсгазоны она залегает в среднем на глубине 50,6 км, образуя под мегазоной прогиб. Характерная черта глубинно~о строения мсгазоны - наличие мощной переходной зоны между корой и верхней мантией. Важнейшая особенность строения земной коры мегазоны - резко увеличенная мощность нижней коры. Это возрастание мощности нижней коры происходит как за счет погружения поверхности маюии, так и за счет подъема сейсмической поверхности. Характерной особенностью «базальтового» слоя яиляется повышенная горизонтальная расслоснность. Это, а также ряд других обстоятельств, в совокупности с представлениями об истории формирования земной коры мегазоны, позволяют предположить, что «базальтовый» слой в се пределах является новообразованным, возникшим в результате дифференциации вещества мантии. В качестве аналогэв пород «базальтового» слоя мегазоны, оторванных от него, перемещенных в верхние горизонты коры и выведенных на дневную поверхность, считаются мстагабброиды, находящиеся в ассоциации с гипербазитами дунит-гарцбу рги-товой формации - они представляют собой породы «базальтового» слоя, возникшего на океанической стадии, но затем не подвергавшегося коренной переработке; комплексы дуннт-пироксснит-габбровой формации, насыщенные среднепалеозойскими интрузиями габброидов, - это образования «базальтового» слоя, возникшего на океанической стадии, а затем существенно переработанного наостро-водужной в процессе развит я эвгсосикклинали.
Сопоставления структурно-тектонической позиции плотностной неоднорэдности, своеобразия формы, плотности вещества и других данных позволяют сделать вывод, что в геологическом отношении неоднородность представляет собой протрузию. сформировавшуюся в зоне главного глубинного шва из мантийного вещества в результате его дифференциации под действием глубинного давления к поверхности земли, т. с. путем заполнения ее магматическим веществом, которое поступало по наклонному каналу, о чем свидетельствует наличие наклонного тела вдоль главного глубинного шва.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 100500013.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. БерлянО //. Г. Карта глубинного строения земной коры Урала. Масштаб 1:1 000 000. Объяснительная записка. СПб. 1993. 121 с.
2. Гсаяогия СССР. Т. 12. Пермская, Свердловская. Челябинская, Курганская области. Ч. 1. Геологическое описание. Кн. 1. М.: Недра. 1969. 723 с.
3. Катан В. £. Поляков А. Б . Филатов В В Изучение закономерностей размещения рудных полей в Тагило-Кушвинском железорудном районе при помощи гсолого-гсофнзнчсского моделирования // Применение геофизических методов для изучения структуры рудных полей: тез. докл.
Республиканской науч.-техн. конф. Свердловск, 1980. С. 25-26.
4. Кочнов В. А. Адаптивные методы решения обратных задач геофизики: учебное пособие. Красноярск: ВЦ СО РАН. 1993.
5. Кочнев В. А. Пакет программ АГХЗ-ЗО для прямых и обратных трехмерных задач гравиметрии: учебное пособие. Красноярск: ВЦ СО РАН, 2001.
6. Методические рекомендации по интеопрс-тации геофизических данных при крупномасштабном геологическом картировании / Е. М. Ананьева, Е. Б. Гороновнч, 3. Б. Черняк и др. Свердловск: У рал геология, 1983.301 с.
7. Филатов В В Теория и практика гео.зина-мического анализа гравитационного поля: на примере рудных районов Урала: дне.... д-ра геол,-мннерал. наук. Екатеринбург, 1990. 376 с.
