Структура Земли Бунге

Аннотация

В статье приводятся новые данные о геологическом строении Земли Бунге, полученные после проведения сейсморазведочных, гравиразведочных и электроразведочных работ.

Земля Бунге представляет собой впадину, выполненную до глубины 400-900 м мезокайнозойскими отложениями и поднявшуюся выше уровня моря в четвертичное время. Совокупность геологических и геофизических данных позволяют говорить о том, что Земля Бунге, отделенная от о. Котельный серией разломов, в палеозойское время составляла с ним единое целое. От о. Фаддеевский Земля Бунге отделена глубинным разломом и по геологическому строению существенно отличается от него.

Иллюстраций 5.

Геологическое строение Земли Бунге до последнего времени оставалось практически неисследованным, лишь в двух местах были известны обнажения липаритов и их туфов верхнемелового-эоценового возраста. В остальном поверхность Земли Бунге закрыта чехлом современных песков. Сопредельные с Землей Бунге о-ва Котельный и Фаддеевский сложены разнохарактерными и разновозрастными комплексами. Поэтому суждения о геологическом строении Земли Бунге на основании данных по островам Котельный и Фаддеевский были весьма разноречивы. В частности, неясными оставались вопросы: распространяется ли на Землю Бунге толща нижне- и среднепалеозойских карбонатных пород, развитых на о. Котельном, какова мощность и характер залегания мезокайнозойских отложений и другие.

Постановка в северной части Земли Бунге комплексных геофизических исследований методами сейсморазведки, гравиразведки и электроразведки дала возможность ответить на некоторые из этих вопросов.

Данные по физическим свойствам горных пород, развитых на о. Котельный, полученные при проведении параметрических сейсмических и электроразведочных работ на обнажениях, а также измерения плотности и упругих свойств образцов позволили оценить возможности отдельных геофизических методов при изучении различных комплексов пород.

В карбонатных породах PZ_1-2 получены два значения скоростей продольных волн: 6,1-6,2 км/сек в доломитах и доломитизированных известняках и 6,5-6,7 км/сек в плотных массивных известняках. Скорости релеевских волн в карбонатных породах V_R = 3,0-3,3 км/сек, поперечных волн Vs = 3,3-3,6 км/сек.

На обнажениях терригенных пород триасового возраста скорость продольных волн у поверхности Vр= 3,5-3,6 км/сек, а на глубине 200-250 м увеличивается до 3,9-4,0 км/сек. Вертикальный градиент скорости связан с увеличением давления с глубиной и уплотнением пород, что обычно для многослойных осадочных пород. На глубинах 500-800 м скорость в этих породах может увеличиваться на 10-15%.

На обнажениях пород нижнемелового возраста у поверхности получены скорости Vр = 3,0 - 3,1 км/сек с увеличением до 3,5-3,6 км/сек на глубинах 200-250 м. Вертикальный градиент скорости вызывается теми же причинами, что и в породах триасового возраста.

Плотность палеозойской преимущественно карбонатной толщи определена по данным измерения образцов пород от ордовика до карбона. Средняя плотность этой толщи составляет 2,75 г/см³. Измерениями охвачены известняки, доломиты, а также мергели, песчаники, алевролиты, аргиллиты и конгломераты. Средняя плотность мезозойской терригенной толщи предположительно триасового возраста определена по данным измерения на образцах алевролитов, аргиллитов и образцах, отобранных из пропластков доломитовых конкреций. Плотность аргиллитов и алевролитов составляет 2,5-2,6 г/см³, доломитов около 2,9 г/см³.Средневзвешенная плотность толщи составляет около 2,6 г/см³. Средневзвешенная плотность нижнемеловой угленосной толщи определена путем измерения плотности слагающих ее песчаников и аргиллитов (2,5-2,6 г/см³) и углей (1,4 г/ск³) и составляет 2,45 г/см³. Эти данные получены на трех разрезах.

Сведения об электрическом сопротивлении пород получены в результате проведения на обнажениях коренных пород вертикальных электрических зондирований с максимальными разносами питающей линии АВ до 1000 м, а также при выполнении профиля ВЭЗ с АВ до 6000 м на Земле Бунге.

Удельное электрическое сопротивление известняков в мерзлом состоянии колеблется от 2000 до 9000 ом-м. Среднее удельное электрическое сопротивление мерзлых известняков составляет 4000 ом-м. Те же известняки в талом состоянии, отмеченные до глубины в несколько сот метров в западной части Земли Бунге, обладают удельным электрическим сопротивлением около 1500 ом-м. Мерзлые терригенные породы предположительно триасового возраста имеют сопротивление от 2000 до 4000 ом-м, среднее значение этой величины 3000 ом-м. Талые породы того же состава обладают удельным электрическим сопротивлением около 150 ом-м, терригенная угленосная толща нижнего мела в мерзлом состоянии - от 700 до 2500 ом-м,. Среднее значение составляет 1500 ом-м. Талые, породы предположительно нижнемелового возраста имеют удельное электрическое сопротивление 60-100 ом-м. Удельное электрическое сопротивление четвертичных песков, слагающих верхнюю часть разреза на Земле Бунге, колеблется от 50 000 до 200 ом-м в зависимости от их льдистости и солености поровых вод.

Таким образом, на поверхности раздела палеозойской карбонатной толщи и мезозойских терригенных пород наблюдается перепад скоростей распространения упругих волн и плотностей пород. Сложнее дифференцировать эти толщи по удельному электрическому сопротивлению. Значения сопротивления толщ перекрываются, так как зависят во многом от пористости, минерализации поровых вод и криогенных факторов.

Гравиметрические, сейсмические и электроразведочные исследования были выполнены в северной части Земли Бунге, вдоль 76-километрового профиля, вытянутого в северо-восточном направлении и проходящего от низовьев р. Драгоценной на о. Котельный (южнее губы Драгоценной и севернее залива Геденштрома) к северной части о. Фаддеевский. Кроме того, для выяснения простираний фиксируемых аномалий гравиметрические наблюдения проведены на двух параллельных профилях, отстоящих от центрального на 3 км. При сейсмических наблюдениях использовалась наиболее эффективная для труднодоступных арктических районов методика точечных зондирований. Густоту точек наблюдений, длину баз и величину зарядов варьировали по профилю в зависимости от ожидаемых изменений разреза. Зондирования были выполнены в 88 точках, максимальная база наблюдений 7 км.

Электроразведочные исследования проведены в модификации ВЭЗ в 26 точках. Максимальная длина питающей линии 6 км, расстояние между центрами зондирований 3-5 км.

По результатам геофизических исследований с использованием геологических данных о строении региона был построен геолого-геофизический разрез по профилю наблюдений в северной части Земли Бунге (рис. 1).

По результатам геофизических (особенно сейсмических) исследований, выделяются четыре участка, имеющие различное геологическое строение: 1) восточная часть о. Котельный и первые 6 км профиля на Земле Бунге; 2) от пикета 6,0 до пикета 13,0; 3) от пикета 13,0 до пикета 50,0; 4) от пикета 50.0 до конца профиля.

На первом участке сразу от пунктов взрыва в первых вступлениях следится головная волна от поверхности палеозойских карбонатных пород с кажущейся скоростью V* = 6.1 - 6,2 км/сек (рис.2). С удалением от пункта взрыва она сменяется волной с V* = 6,6-6,8 км/сек· от· более высокоскоростного горизонта, глубина залегания которого уменьшается с запада на восток участка от 300-400 м до выхода непосредственно под перекрывающие рыхлые отложения. Имеющиеся замеры скоростей на обнажениях позволяют предположить расчленение карбонатной толщи в этом районе на доломиты (Vр = 6,1-6,3 км/сек) и плотные массивные известняки (Vр = 6,6-6,8 км/сек). Во вторых вступлениях, как и при наблюдениях на обнажениях, следится интенсивная релееская волна по поверхности карбонатных пород с V*= 3,0-3,3 км/сек. Мощность рыхлых отложений на всем участке не превосходит 10-30 м.

Таким образом, очевидно сходство геологического строения западной 5-6 км полосы Земли Бунге и прилегающей к ней части о. Котельный. Граница структур о. Котельный и Земли Бунге находится на 5-6 км восточнее их географической границы.

Второй участок характеризуется резким погружением поверхности карбонатных пород. Место погружения устанавливается весьма уверенно по резкой смене волновой картины. На сейсмограмме, полученной из пункта взрыва, расположенного над поднятым блоком (на первом участке), видно 6ыстрое затухание головной волны по поверхности карбонатных пород и переход ее в довольно слабую дифрагированную волну. То же самое происходит и с релеевской волной. При перенесении всего зондирования на второй участок в первых вступлениях следится сначала рефрагированная волна в рыхлых отложениях, которая сменяется преломленной волной по поверхности карбонатных отложений. От этой же поверхности во вторых вступлениях регистрируется интенсивная отраженная волна (рис. 3). Глубина залегания карбонатной толщи в районе пикета 7 0,9-1 км и уменьшается к пикету 10 до 400 м, а далее снова увеличивается до 600-700 м.

3а пикетом 10 характер разреза несколько иной. Перекрывающие карбонатную толщу относительно слабо уплотненные, по-видимому, кайнозойские, отложения с плавным увеличением скорости с глубиной сменяются более консолидированными с постоянной скоростью 3,4-3,5 км/сек. Появляется граница с Vг = 4,5 - 4,6 км/сек. Учитывая данные геологических съемок, а также результаты параметрических наблюдений на обнажениях, эту границу можно отождествить с поверхностью терригенных отложений триасового возраста, перекрытых более молодыми меловыми отложениями. Несколько большее значение скорости по сравнению с данными параметрических замеров объясняется влиянием давления перекрывающих отложений. Появление границы раздела в мезокайнозойских отложениях, по-видимому, явилось одной из причин исчезновения отраженной волны от поверхности карбонатной толщи. Другая причина, возможно, в изменении "качества" самой поверхности.

Третий участок имеет самые большие горизонтальные размеры и занимает всю центральную часть Земли Бунге. Главной его особенностью является отсутствие волн от карбонатной толщи, резко погрузившейся за пикетом 13. Волновое поле на протяжении почти всего участка отличается простотой (рис.4). Уверенно следится появившаяся на втором участке граница раздела в мезозойских отложениях. Глубина ее залегания плавно увеличивается от 300 м в районе 15 и 16 пикетов до 800-900 м в районе 26 пикета, затем на протяжении 4-5 км поднимается до 400-500 м. На этом уровне граница следится до пикета 40, погружается до 700-800 м к пикету 45 и плавно поднимается до 400 м к пикету 50. В районе пикета 41 в верхней толще появляется еще одна граница с Vг = 3,9-4,0 км/сек, залегающая на глубинах 200-400 м и выходящая на поверхность за пределами третьего участка. Таким образом, на этом участке по поверхности триасовых (?) отложений прослежена впадина с пологими углами наклона крыльев, осложненная поднятием с амплитудой 300-400 м на пикетах 26-42 и выполненная, очевидно, меловыми и кайнозойскими отложениями. Скорости сейсмических волн в обеих выделенных на участке толщах выдержаны, увеличения скорости с глубиной в верхней толще не наблюдается.

На пикетах 45-48 характер разреза несколько осложняется появлением резких отражающих границ с глубин 3,0-3,4 км. Кроме того, граница с Vг = 4,5 км/сек приближается к поверхности, так же как и вышележащая граница с Vг = 3,9-4,0 км/сек, а под ними обнаруживается граница с Vг=4,8 км/сек, также стремящаяся к выходу на поверхность.

Четвертый участок характеризуется сложным и весьма изменчивым строением (рис.5). В его пределах последовательно выходят на поверхность границы с Vг = 4,0, 4,5 и 4,8 км/сек. На глубинах 0,8-3,6 км появляются довольно резкие отражающие горизонты, изменяющиеся по характеру поверхности и по углам наклона. На этом участке профиля не удается сколько-нибудь уверенно проследить опорную границу. Горизонт с Vг=4,8 км/ceк выходит на поверхность в районе 58-59 пикетов и затем резко погружается по разлому сразу за пикетом 60.Это отчетливо видно и по поведению кривой Dg_н. Трудно что-либо сказать о геологической природе сейсмических границ, так как поведение их очень сложное. Можно высказать предположение о том, что скорость Vг = 4,8 км/сек соответствует поверхности кислых эффузивных пород, которые развиты на о. Фаддеевский и встречены в двух обнажениях на юге Земли Бунге. Резкие отражающие границы на больших глубинах также могут быть связаны с магматическими образованиями. В пользу этого, кроме резкого различия акустических жестокостей, говорит очень невыдержанный, переменчивый характер границ, что свойственно внедрившимся образованиям.

Глубину 800-900 м, безусловно, нельзя считать максимальной глубиной исследования разреза 3емли Бунге сейсмическим методом. Элементарный расчет показывает, что при базах зондирования 5,5-7,5 км поверхность карбонатной толщи была бы зафиксирована преломленными волнами на глубине до 1,5-1,8 км.

Данные гравиразведки в целом хорошо согласуются с данными сейсморазведки. На рис. 1 представлены наблюденные и расчетные кривые силы тяжести по центральному гравиметрическому профилю, совмещенному с сейсмическим профилем. Теоретическая кривая Dg'_р рассчитана для соотношения плотностей, показанного на рис. 1,А: плотность пород с Vг = 6,2-6,7 км/сек (карбонатные породы нижнего и среднего палеозоя) принята равной 2,75 г/см³, плотность пород с Vг = 4,5-4,6 км/сек (терригенные породы триасового (?) возраста) 2,6 г/ см³. Плотность вышележащих пород мезокайнозойского возраста принята 2,3 г/ см³ Расчетная кривая Dg'_р в деталях повторяет наблюденную кривую Dg'_н, что подтверждает достоверность принятого нами геологического разреза. Однако общий вид кривой Dg'_р наводит на мысль о существовании грабенообразной структуры и в гораздо более глубоко залегающих породах со смещением плотностных границ на глубинах порядка 10 км. Для проверки этого предположения построена разностная кривая Dg'_н - Dg'_ри рассчитана теоретическая кривая Dg''_р, соответствующая грабенообразной структуре шириной 50 км со смещением плотностной границы с 9 до 11 км при Ds= 2,95-2.75 = 0,2 г/см³ (рис.1.Б). Рассчитанная кривая Dg''_р в первом приближении совпадает с кривой Dg'_н - Dg'_р. Соответственно и кривая Dg_р (рис. 1, А), где Dg_р = Dg''_р + Dg'_р, обнаруживает хорошую сходимость с наблюденной кривой Dg_н. Естественно, разрез, представленный на рис. 1, А, является первым вариантом, допускающим последующие уточнения. Так, локальная отрицательная аномалия в районе пикетов 6-7 может быть лучше аппроксимирована расчетной кривой Dg_р, если предположить наклон установленного здесь разлома на запад. Недокомпенсация наблюденной аномалии в районе пикетов 9-16 явно вызвана распространением карбонатных пород, соседствующих вдоль разломов с терригенной толщей, на глубине более 1,0-1.5 км (что не было принято во внимание при расчете кривой Dg_р).

Хорошая корреляция аномалий силы тяжести на параллельных гравиметрических профилях позволяет установить в первом приближении северо-западное. простирание структур в исследованной части Земли Бунге с азимутом 330°.

Данные электроразведки методом ВЭЗ позволили наметить основные геоэлектрические границы (рис.1). Самой верхней границей является подошва рыхлых мерзлых песков, которые уверенно выделяются по всему профилю по высоким электрическим сопротивлениям. Их мощность в основном не превышает первых десятков метров, в редких случаях достигая 70-100 м. В западной и восточной частях профиля рыхлые пески отмечаются высокими сопротивлениями (десятки тысяч ом-м),характерными для высоко льдистых образований. В центральной части профиля до пикета 47 электрическое сопротивление этих отложений на порядок ниже, что свидетельствует об относительно невысокой льдистости. От пикета 47 до пикета 55 понижение электрического сопротивления до 1000 ом-м и менее может быть обусловлено несколькими факторами: низкой льдистостью, повышенной засоленностью и более глинистым составом.

Под рыхлыми отложениями на западе до пикета 5 залегают породы с электрическим сопротивлением, равным 1200-1500 ом-м, присущим известнякам. Далее на восток до пикета 45 и в самой восточной части профиля в разрезе наблюдаются 3 основных горизонта. Непосредственно под рыхлыми отложениями залегает толща пород с сопротивлением около 1000 ом-м. Ниже, судя по низкому электрическому сопротивлению, залегает горизонт песчанистых отложений.

Следующая геоэлектрическая граница, расположенная на глубинах 400-900 м, в основном совпадает с сейсмической границей, интерпретируемой как поверхность пород песчано-аргиллитового состава триасового возраста. Перепад сопротивлений по этой границе на участке от 15 до 43 пикетов составляет 20-140 – 200 ом-м.

Граница многолетнемерзлой зоны на большей части профиля близка к границе рыхлых отложений – неконсолидированных четвертичных песков. Возможно, что на некоторых участках профиля не все рыхлые отложения захвачены мерзлотой (пикеты 25, 50-55). Прослои с электрическим сопротивлением в 600 и 300 ом-м могут быть талыми четвертичными отложениями. Не исключена возможность, что на участке от пикета 6 до 36 горизонт с электрическим сопротивлением в 600 и 300 ом-м представлен мерзлыми терригенными образованиями.

Приведенные фактические данные свидетельствуют о том, что состав мезозойских отложений на Земле Бунге, скорее всего, аналогичен составу этих отложений на о. Котельный. Терригенные отложения, близкие по составу триасовым терригенным породам, развитым на о. Котельный, залегают под дном впадины, зафиксированной на Земле Бунге всеми геофизическими методами. От о. Котельный впадина Земли Бунге отделена серией разломов северо-северо-западного простирания. На рис. 1 показаны два таких разлома, но возможно, что их больше. Эти разломы, заложенные в мезозойское время, проявлены сейчас в виде полосы ступенчатых сбросов с относительно приподнятыми западными крыльями. Вопрос о том, залегают ли под терригенными отложениями на глубине более I,5-1,7 км карбонатные отложения палеозойского возраста, остается открытым. Однако отмеченное сходство (по физическим характеристикам) мезозойских терригенных толщ Земли Бунге и о. Котельный, характер сочленения этих территорий по сбросам, стерильным от магматических образований, а также отсутствие заметной гравитационной ступени в региональном поле силы тяжести (что свидетельствует об отсутствии глубинного разлома в земной коре) позволяет предположить, что в палеозойское время о. Котельный и Земля Бунге составляли единое целое и развивались в сходном режиме. Возможно, палеозойская карбонатная толща на Земле Бунге подстилает триасовые терригенные отложения и опущена по отношению к аналогичной толще о. Котельный на глубину порядка 2-2,5 км. Такое же смещение на границе Земли Бунге и о. Котельный мы предполагаем и в более глубоких слоях, как показано на схеме (рис. 1,Б).

Совершенно другой характер имеет зона сочленения Земли Бунге с о. Фаддеевский. Разлом в районе пикета 60 имеет черты глубинного разлома. К этому разлому приурочены магматические тела, вероятно, как интрузивные, так и эффузивные, перекрытые чехлом рыхлых кайнозойских отложений. По данным аэромагнитной съемки, цепочка магматических тел, по-видимому, основного и ультраосновного состава, протягивается вдоль залива Геденштрома и далее на юг в субмеридиональном направлении к восточной части о. Большой Ляховский. В региональном поле силы тяжести вдоль залива Геденштрома и между Землей Бунге и о. Фаддеевский наблюдается гравитационная ступень. Мезозойские отложения о. Фаддеевский, как показывают геологические данные и комплекс проведенных нами исследований, также совершенно отличны по составу и характеру залегания от мезозойских отложении о. Котельный и, вероятно, Земли Бунге.

Впадина Земли Бунге выше опорного сейсмического горизонта выполнена кайнозойскими и, по-видимому, меловыми отложениями. Обращает на себя внимание тот факт, что границы, фиксируемые по данным электроразведки и сейсморазведки внутри этой слабо консолидированной толщи мезокайнозойских отложений на глубинах до 400 м, повторяют (но с меньшими амплитудами) рельеф границы, отделяющей их от нижележащих триасовых (?) отложений. Это может быть следствием облегания неровной поверхности размыва триасовых (?) пород либо, что на наш взгляд более вероятно, наличием дифференцированных неотектонических движений. Западная из двух впадин второго порядка (с более опущенной частью в районе пикета 25) в северо-северо-западном направлении прослеживается к наиболее вдавшейся в сушу части губы Драгоценной. Восточная впадина зафиксирована на продолжении залива Геденштрома. На этих же пониженных в рельефе участках профиля в районе пикетов 25 и 45 зафиксировано отсутствие многолетнемерзлой толщи, что свидетельствует о недавнем подъеме этих участков выше уровня моря.

Дальнейшее уточнение характера зафиксированных геофизическими методами границ и возраста слагающих разрез толщ возможно после проведения на этой территории картировочного бурения.