-4-ВВЕДЕНИЕ
Объект исследования - земная кора Якутской алмазоносной провинции, на предмет обнаружения структурно-вещественных неоднородностей, как одних из критериев, определяющих закономерности размещения кимберлитовых полей.
Актуальность исследования
Обнаружение глубинных структур, сопутствующих проявлениям кимберлитового магматизма, остается в значительной степени дискуссионным. Существует ряд геолого-геофизических моделей литосферы Якутской кимберлитовой провинции, описывающих связь особенностей структуры коры с кимберлитовым магматизмом. Вместе с тем их использование для прогноза закономерностей размещения кимберлитовых полей не имело успеха. Применение глубинных геофизических методов для этих целей также пока нельзя считать успешным.
Малые размеры кимберлитовых полей (30-50 км в поперечнике), часто располагающихся в районах развития траппов, существенно усложняют решение проблемы, так как требуют выполнения особо детальных исследований. Применение для этой цели гравимагнитных, электромагнитных, сейсморазведочных данных и детальных геологических съемок не привело к однозначным результатам, по всей видимости, из-за малой глубинности исследований, ограниченных, как правило, осадочным чехлом, а при региональных (глубинных) построениях - из-за недостаточной разрешающей способности используемых геофизических методов.
Таким образом, актуальность исследования определяется необходимостью повышения детальности глубинных сейсмических исследований, заключающейся в обработке полученных ранее данных по современным методикам численного моделирования волнового поля.
Цель исследования
По данным глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) и двумерного численного моделирования волнового поля выделить локальные структурно-
-5-
вещественные неоднородности земной коры в районах кимберлитовых полей Западной Якутии и оценить ее вещественный состав по комплексу сейсмических и гравитационных данных.
Задача исследования
Установить связь особенностей волнового поля с распределением локальных скоростных и плотностных параметров земной коры, проявляющихся в районах кимберлитовых полей.
Поставленная задача решалась в несколько этапов:
1. Составление уточненных сейсмических моделей земной коры по трем профилям ГСЗ пересекающим Мало-Ботуобинский и Далдыно-Алакитский кимберлитовые районы на основе численного двумерного моделирования кинематики волн.
2. Определение закономерностей в изменении скорости продольных и поперечных волн, плотности, упругих модулей и коэффициента Пуассона в земной коре с использованием построенных сейсмических моделей.
3. Оценка вещественного состава коры по рассчитанным сейсмоплотностным характеристикам.
Фактический материал, методы исследования
Основой работы являлся экспериментальный материал ГСЗ (первичные данные, около 13000 сейсмических трасс, хранившиеся в аналоговой форме на магнитных носителях), полученные коллективами организаций: Якутским институтом геологических наук СО РАН, Ботуобинской геологоразведочной экспедицией АК АЛРОСА, Новосибирской опытно-методической вибросейсмической экспедицией (НОМВЭ СО РАН СССР) и Объединенным институтом геологии, геофизики и минералогии (ОИГТиМ СО РАН СССР) в период 1981-1986 гг.
Теоретической основой решения поставленной задачи являются метод дискретной корреляции опорных волн {Пузырев и др., 1978) и лучевая теория распространения сейсмических волн в неоднородной изотропной среде.
В работе использованы: - времена вступлений опорных Р- и S-волн;
-6-
- данные, полученные в результате численного сейсмического моделирования;
- данные гравитационного моделирования, согласованного с полученными сейсмическими разрезами;
- лабораторные измерения плотности и коэффициента Пуассона на образцах горных пород (около 750 определений) (Баюк и др., 1988; Christencen, 1996).
Основной метод исследования - численное решение прямой кинематической задачи сейсмики в двумерно-неоднородной среде (Cerveny et ah, 1977), реализованное в программе Ray 84PC, составленной в Геологическом институте Копенгагенского университета (Н. Thybo and J. Lauetgert). Достоверность теоретических расчетов подтверждается малым различием полученных значений с наблюденными временами пробега и объемом использованных данных (около 6000 времен вступлений опорных волн ГСЗ, полученных в 1981, 1983 гг. в Мало-Ботуобинском и 1986 г. в Далдыно-Алакитском районах).
Достоверность сейсмических разрезов подтверждается результатами гравитационного моделирования при соотношении скорость-плотность, близкому к данным по другим платформенным областям.
Защищаемые научные результаты:
1. В слоях консолидированной коры Якутской кимберлитовой провинции нарастание скорости с глубиной не превышает 1-2%. Это обуславливает скачки скорости на сейсмических границах до 3-7%, необходимые для согласования со значением скорости во всей толще коры, определяемой по данным отраженной волны от Мохо.
2. В земной коре районов кимберлитовых полей выделены локальные скоростные неоднородности, распределенные по глубине вплоть до раздела Мохо. Они рассматриваются в качестве сейсмических критериев для прогнозирования участков поиска кимберлитов.
3. Использование данных о распределении скорости продольных волн, коэффициента Пуассона и плотности (по гравитационным данным)
-7-
значительно сужает неоднозначность оценки вещественного состава земной коры и указывает на отсутствие в ней значительных объемов мафических гранатовых гранулитов.
Научная новизна. Личный вклад;
1. Проведена интерпретация составленных скоростных двумерных моделей земной коры и оценена их достоверность, на основе анализа волновой картины, выбора модели первого приближения и использовании результатов численного моделирования в сейсмогеологических условиях Якутской кимберлитовой провинции:
- оцифрованы сейсмограммы ГСЗ по материалам полевых работ в Мало-Ботуобинском (р. Олгуйдах - г. Мирный - г. Ленек, 1981 г.; п. Тас-Юрях - п. Алмазный - п. Малыкай, 1983 г.) и Далдыно-Алакитском (р. Моркока - г. Полярный - р. Муна, 1986 г.) районах. Составлен банк данных, представленный массивами цифровых шестиканальных сейсмограмм (седьмой канал марки времени) с соответствующим паспортом. Данные визуализированы монтажами, составленными из одноканальных трасс;
- основываясь на сопоставления наблюденных данных и результатов численного лучевого моделирования особенностей волнового поля выделен ряд локальных скоростных аномалий в земной коре, проявляющихся в районах кимберлитовых полей; различие между наблюденными и теоретическими временами пробега волн не превышает для продольных волн 0,08 с, для поперечных волн 0,2 с;
- по результатам численного моделирования построены сейсмические модели земной коры Мало-Ботуобинского и Далдыно-Алакитского районов; установлено, что земная кора представляет собой слоисто-блоковую модель с малым нарастанием скорости с глубиной в пределах слоев и заметными перепадами скорости на сейсмических границах;
- анализ сейсмических моделей земной коры в районах кимберлитовых полей позволил выделить локальные (с поперечным размером 30-60
-8-
км) аномалии пониженной скорости в верхах и повышенной в низах коры.
2. Установлена региональная линейная корреляция скорости продольных волн и плотности, по материалам гравитационного моделирования сейсмического разреза, выполненного А.В. Манаковым. При практически постоянном коэффициенте Пуассона, рассчитанные изменения модулей сжатия и сдвига в коре более контрастно характеризуют обнаруженные аномалии скорости.
3. Доказано отсутствие в коре значительных объемов пород высокой степени метаморфизма типа мафических гранатовых гранулитов на основе сопоставления геофизических данных с лабораторными измерениями на образцах горных пород. Наиболее представительными для всей коры региона могут быть породы близкие к гранат-дистеновому гранулиту.
Практическое значение
Обнаруженные в земной коре кимберлитовых районов локальные аномалии скорости могут быть использованы при прогнозе участков, перспективных на поиск проявлений кимберлитового магматизма в Западной Якутии.
Сейсмические параметры земной коры наиболее стабильной части Сибирской платформы могут использоваться для сравнения с данными, полученными в сейсмоактивных областях, с целью выделения и изучения характеристик, связанных с современными геодинамическими процессами.
Предложенная схема интерпретации данных ГСЗ дает возможность получения дополнительной, более детальной информации без значительных материальных затрат, кроме того, оцифрованные данные важны для проведения последующих сейсмических исследований.
Публикации и апробация работы
Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались: на ежегодной международной научно-практической конференции «Студент и научно-технический прогресс» (присужден диплом первой степени). (Новосибирск, 1999 г.), на международном симпозиуме
-9-
«Deep seismic profiling of the continents and their Margins» (Ульвик, Норвегия, 2000 г.), на международной геофизической конференции «Сейсмология в Сибири на рубеже тысячелетий» (Новосибирск, 2000 г.), на геофизической конференции «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001 г.), на конференции посвященной 90-летию со дня рождения академика А.Л. Яншина «Фундаментальные проблемы геологии и тектоники Северной Евразии», на конференции «Проблемы региональной геофизики» (Новосибирск, 2001 г.), на международной конференции «Проблемы сейсмологии Ш-го тысячелетия» (Новосибирск, 2003 г.), на международном совещании «AGU 2002 Fall Meeting Moscone» (Сан-Франциско, Калифорния, 2003 г.), на совещании (Алмазы-50) «Эффективность прогнозирования и поисков месторождений алмазов: прошлое, настоящее и будущее» (Санкт-Петербург, 2004 г.), на международной научной конференции посвященной 90-летию со дня рождения академика Н.Н. Пузырева «Сейсмические исследования земной коры» (Новосибирск, 2004 г.), на международном симпозиуме, посвященном 70-летию академика Н.В. Соболева «Эволюция континентальной литосферы, происхождение алмазов и их месторождений» (Новосибирск, 2005 г.).
По теме диссертации опубликовано 12 работ, из которых 2 статьи в рецензируемых журналах, 7 - материалы российских и международных конференций, симпозиумов, совещаний, 3 - тезисы в трудах российских конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения с общим объемом 128 страниц, содержит 43 рисунка. Список литературы включает 84 наименования.
Диссертация выполнена в Лаборатории глубинных сейсмических исследований и региональной сейсмичности Института геофизики СО РАН.
Благодарности
За участие в формировании научных взглядов, руководство в проведении исследовательской работы, всестороннюю поддержку и
-10-
постоянное внимание автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору В. Д. Суворову.
Построение сейсмоплотностных моделей было бы вряд ли возможно без сотрудничества с А.В. Манаковым (ЯНИГП АЛРОСА, г. Мирный).
Автор благодарит сотрудников Геологического института при Копенгагенском университете и Институт Геофизики Польской Академии Наук за консультации, помощь при освоении программ и за сердечный прием в 2001,2002 и 2003 годах.
За поддержку, сотрудничество и обсуждение различных вопросов автор выражает благодарность коллективу Лаборатории глубинных сейсмических исследований и региональной сейсмичности института геофизики СО РАН.
Автор благодарит директора Геофизической службы СО РАН д.г.-м.н B.C. Селезнева за помощь при оформлении данной работы, неформальный подход к тексту диссертации и ряд высказанных ценных замечаний.
Также автор выражает искреннюю признательность В.И. Самойловой за методические рекомендации и консультации при подготовке диссертации.
-11-
Глава 1. ГЛУБИННОЕ СТРОЕНИЕ И КИМБЕРЛИТОВЫЙ МАГМАТИЗМ В ЗАПАДНОЙ ЯКУТИИ
Открытие в 50-е годы прошлого столетия на территории Западной Якутии первых кимберлитовых трубок сразу же привлекло к ним внимание многочисленных исследователей. Это было обусловлено как новизной геологического явления, так и необходимостью всестороннего изучения столь уникальных во многих отношениях кимберлитовых магматитов. Фундаментальный аспект проблемы изучения кимберлитов заключается в возможности получения сведений о вещественном составе и состоянии вещества литосферы по ксенолитам и включениям в алмазах и по геофизическим наблюдениям. Комплекс таких данных дает основу для составления трехмерных петрофизических моделей континентальной литосферы и изучения формирования и эволюции земной коры континентов.
Энергичные поисковые работы обеспечили быстрый рост числа открытых тел, стремительное расширение ареала их распространения и, в конечном счете, появления огромного массива самых разнообразных первичных данных. Сейчас очевидно, что кимберлиты, хотя и редкие, но отнюдь не экзотические породы, которые характерны не только для Южно-Африканской, но и для Восточно-Сибирской платформы, а последние исследования позволяют говорить и о Восточно-Китайской, Западно-Австралийской и Архангельской, Канадской алмазоносных провинциях. География кимберлитов настолько расширилась, что сегодня можно с уверенностью говорить, что они есть на всех платформах. Это позволяет с оптимизмом оценивать перспективы открытия не только новых продуктивных трубок в уже известных алмазоносных районах, но и новых районов и даже новых провинций. Расширение фронта поисковых работ требует переосмысления существующей информации с тем, чтобы в новых районах при выборе поисковых площадей и участков могли быть учтены все
-12-
возможные типы геологических обстановок и их соответствие с расположением кимберлитовых полей.
1.1. Геолого-геофизические представления о строении литосферы и проявлениях кимберлитового магматизма
Традиционным способом поисков алмазоносных кимберлитовых трубок является выявление россыпных алмазов и индикаторных минералов, а затем на основе шлихового опробования, выход на коренной источник алмазов. Этот метод получил широкое развитие во всех провинциях и особенно в Якутии. Достаточно отметить, что все разрабатываемые коренные месторождения алмазов Якутии в открытых районах обнаружены с применением этого способа. В России эта методика была предложена B.C. Соболевым и его сотрудниками {Соболев и др., 1992). Однако, что выход с поисками в районы, где кимберлитовые тела погребены под более молодыми осадочными отложениями ограничивает возможности шлихо-минералогического метода.
Рядом исследователей был выдвинут структурный анализ докембрийского фундамента алмазоносных или потенциально-алмазоносных провинций, базирующийся на так называемом правиле Клиффорда, дающем тектоническую основу закономерностей распределения полезных ископаемых докембрия {Clifford, 1966). Т. Клиффорд на основе металлогенического анализа территории Южной Африки показал, что все алмазоносные кимберлиты сосредоточены в пределах древних кратонов, в то время как в разделяющих кратоны подвижных поясах они не алмазоносны или представлены не кимберлитами, а родственными породами.
Изучением связи особенностей строения земной коры и верхов мантии с проявлениями кимберлитового магматизма для решения задачи их структурного контроля занимались многие исследователи. Остановимся на наиболее интересных геологических и геофизических результатах полученных в Якутской кимберлитовой провинции, где в стандартных для
-13-
древних платформ условиях вблизи дневной поверхности располагаются уникальные по вещественному составу и характеру взаимоотношений с вмещающими породами образования в виде кимберлитовых тел различной формы (трубок взрыва, штоков, жил и даек).
Кимберлиты - это сложные по составу и морфологии комплексы щелочно-ультраосновных пород, зарожденных в верхней мантии на глубине около 250 км. Они содержат в себе алмазы, захваченные при движении вещества к дневной поверхности. Кимберлитовые тела (трубки) проявляются в виде многочисленных, более или менее тесно расположенных обособленных групп, объединяющихся в поля со средними размерами - 30 х 50 км.
Проблема пространственного размещения кимберлитовых полей тесно связана с генезисом кимберлитов и эволюцией древних платформ. Несмотря на обилие полученных данных о свойствах кимберлитов и алмазов, не удается найти однозначных признаков, которые бы способствовали прогнозу и поиску алмазных месторождений.
Основываясь на общих концепциях о механизме образования кимберлитов и анализе данных, полученных в процессе геолого-геофизических исследований, рядом авторов были построены модели кимберлитового поля.
Одной из интересных моделей является так называемая мантийная модель (Артюшков и др., 1977). Согласно ей очаг зарождается в верхах мантии в условиях алмаз-пироповой фации глубинности, откуда кимберлитовая магма с большой скоростью устремляется к поверхности. Артюшковым Е.В. и Соболевым СВ. был оценен объем очага (размером 103-104 км3) с учетом создания необходимого для интрузии избыточного давления {Соболев и др., 1977). При этом принимались во внимание условия вихревого режима подъема ксенолитов и сохранность алмаза от твердофазовых реакций. Однако, недоучет условий двухэтапности формирования кимберлитовых пород, разновозрастности вулканического процесса и образования алмаза делают данную модель маловероятной, и, главное, она непроверяемая современными методами.
-14-
Оригинальная концепция возникновения кимберлитовых расплавов (и алмазов) под кратонами за счет плавления на глубинах 150-250 км протерозойской (2600-2000 млн. лет) карбонатно-железнорудной формации в зонах палеосубдукции подвижных поясов предложена О.Г. Сорохтиным {Сорохтин, 1985). Следует заметить, что попытка связать древние зоны субдукции с кимберлитоконтролирующими структурами была сделана и для Южной Африки {Helmstaedt et ah, 1984).
Эта идея в последние годы получила развитие в работах О.М. Розена {Розен и др., 2002) и А.П. Смелова {Смелое и др., 2003), где докембрийская литосфера в восточной части Сибирской платформы представляется в виде сложного коллажа террейнов. Часть кимберлитовых полей размещается вдоль зон различного ранга, разделяющих террейны. Другие кимберлитовые поля располагаются во внутренних частях выделенных террейнов.
По современным представлениям, проникновение кимберлитового вещества сквозь земную кору происходило по глубинным разломам, неоднократно оживлявшимся в интервале 400-130 млн лет от девона до юры включительно {Брахфогель, 1984.). Причиной этого могли быть воздымания и опускания разделенных разломами платформенных блоков, обусловленных изменениями мощности земной коры за счет эклогитизации ее нижних частей, подъема мантийного вещества к ее основанию, процессов растяжения коры. В связи с этим, усилия многих авторов были направлены как раз на поиск структурно-тектонических критериев локализации кимберлитовых полей.
Такие исследования глубинного строения востока Сибирской платформы по геологических и геофизических данным (в основном гравитационного и магнитного полей) были сделаны B.C. Трофимовым и К.Б. Мокшанцевым с коллегами {Мокшанцев и др., 1974). В результате анализа имевшихся на то время материалов были сделаны выводы, что проявления кимберлитового магматизма контролируются глубинными разломами, оказывающими определяющее влияние на формирование архейских и платформенных структур. Кроме того, отмечается, что наиболее благоприятными для внедрения кимберлитовой магмы являются участки
-15-
^ пересечения глубинных разломов различного возраста и направления.
Следовательно, кимберлитовые поля могут располагаться на наиболее подвижных элементах не только чехла, но и архейского фундамента.
В качестве признаков пространственного размещения кимберлитов в рассматриваемой работе предлагается использовать приуроченность их к склонам рельефа фундамента с мощностью чехла до 2-3 км и к участкам пересечения разновозрастных и глубинных разломов. Основная масса кимберлитовых полей сформировалась в пределах наиболее раздробленных
зон фундамента, которые отчетливо выделяются разнополярными
ж
полосовыми Ag и AT аномалиями.
Идея существования кимберлитоконтролирующих зон разломов получила дальнейшее развитие в работе Ф.Ф. Брахфогеля (Брахфогель, 1984). В ней в результате анализа геологических данных и дешифрирования космоснимков были определены преимущественные направления разрывных нарушений осадочного чехла в районах кимберлитовых полей и на этой основе выделено пять зон северовосточного и северо-западного простирания, образующих практически прямоугольную решетку. По представлениям автора, магмопроницаемые зоны в фундаменте - суть мощные (первые десятки километров) участки Щ дробления без существенных вертикальных и горизонтальных
перемещений блоков и значительных магматических тел. Такие зоны являются среднепалеозойскими образованиями и независимы от древних разломов фундамента, его рельефа и внутренней структуры.
Опираясь на эти представления, В.А. Варламов, на основе физико-геологического моделирования, построил модель Мирнинского кимберлитового поля, аппроксимируемую структурой типа "песочные часы" {Варламов, 1989). Нижняя часть модели заполнена мантийным веществом. В средней ее части выделяется гипотетический щелевой канал, морфология которого по геолого-геофизическим данным не идентифицирована. На основе общих тектонофизических представлений о строении и развитии консолидированной коры региона предполагается, что
-16-
по данному каналу осуществлялось внедрение порций мантийного вещества в верхние горизонты земной коры. На завершающих стадиях этого процесса, в осадочных образованиях кембрия и ордовика сформировалось купольное поднятие, а вдоль линейно-ослабленных зон сближенных разломов субмеридионального простирания локализовалась серия кимберлитовых трубок.
Интересная особенность расположения известных кимберлитовых трубок относительно дизъюнктивных структур осадочного чехла рассматривалась в работах и многих других авторов. Е.И. Борис, Е.В. Францессон, Б.Г. Лутц сделали попытку систематизировать данные геологических съемок, структурного бурения и геофизических исследований в скважинах. (Борис и др., 1992). При сопоставлении систематизированной информации с данными среднемасштабных магнитных съемок установлено, что главенствующая роль в заложении и формировании разновозрастных геологических структур и размещении магматических тел в районе Мирнинского поля отводится глубинным разломам север-северо-восточного простирания Вилюйско-Мархинской системы, приуроченной к сводовой части Непско-Ботуобинской антеклизы, и системе скрытых дизъюнктивных нарушений северо-западного простирания. Разломы Вилюйско-Мархинской зоны, трассируемые дайками диабазов среднепалеозойского возраста, надежно фиксируются в магнитном поле. Все известные кимберлитовые тела Мирнинского поля фактически связаны с зонами динамического влияния Западного и Параллельного разломов субмеридионального простирания, которые расположены в сводовой части Непско-Ботуобинской антеклизы. На остальной территории района, в том числе и в зонах динамического влияния Центрального и Восточного разломов, которые также выполнены дайками диабазов, в результате проведения многолетних детальных алмазопоисковых работ проявлений кимберлитового магматизма пока не выявлено.
-17-
Наиболее интересными в этом направлении является идея о контроле границ кимберлитового поля рифтоподобными структурами. Ю.А. Дукарт предложил выделять контуры кимберлитовых полей, картируя по данным сейсморазведки МОГТ малоамплитудные грабен-структуры горизонтального растяжения, сопряженные с авлакогенами (Дукардт и др., 1996).
В результате анализа было установлено, что Мирнинское кимберлитовое поле контролируется рифтоподобной структурой северовосточного простирания. По периферии Патомско-Вилюйского авлакогена развита серия грабенов и микрограбенов, сформировавшаяся в среднем палеозое, которые рассматриваются как структуры горизонтального растяжения, связанные с его эволюцией. В этом процессе несколько структур такого типа, характеризующихся северо-восточным простиранием, образовалось в северной части Непско-Ботуобинской антеклизы. Данные структуры пересекают дайковый пояс Вилюйско-Мархинской системы и, по мнению автора, могут определять масштабы коренной кимберлитоносности в районе. Главными конструктивными элементами кимберлитового поля, в отличие от модели В.А. Варламова и его разломов субмеридионального простирания, авторы считают гипотетические кольцевые разломы. Данные разломы группируются в четыре зоны - четыре ветви спирали. Каждый из них - малоамплитудный (до 50 м) сброс, а каждая зона - слабо выраженный грабен. Известные в районе трубки расположены в узлах пересечения грабенов с субмеридиональными разломами Вилюйско-Мархинской системы.
При критическом отношении к сделанным выводам нетрудно заметить, что указанная система признаков, возможно, необходима, но, по всей видимости, недостаточна. Ведь эти признаки выполняются и за пределами кимберлитовых полей. Большие трудности с выделением подобных разломов возникают в районах с маломощным осадочным чехлом, где кимберлитовые трубки перекрыты посткимберлитовыми отложениями. Фундамент, как правило, насыщен многочисленными нарушениями, и выделить среди них кимберлитоконтролирующие структуры весьма сложно, так как нет полной

Получить работу