Главная – Журналы – Геология и геофизика 2001 номер 10

Появившийся в последние два десятилетия новый материал по возрасту толщ, соотношений их в пространстве, интерпретации геодинамических условий формирования позволил по-новому взглянуть на историю геологического развития Тянь-Шаня. Она состоит из ряда крупных мегаэтапов и этапов, начиная от архея до ныне, выделяемых по преобладающему океаническому или континентальному режиму развития. Покровно-складчатое сооружение Тянь-Шаня сформировано в результате дробления края древнего суперконтинента на ряд мелких континентальных блоков, размещавшихся в пределах окраины Палеоазиатского океана, и аккрецией их, завершившейся в конце позднего палеозоя.
Современная Евразийская плита в пределах Центральной Азии разбита на отдельные блоки, встречные и вращательные движения которых создают основной каркас новейшей геодинамики региона. Земная кора Тянь-Шаня расслоена в результате появления в ее нижней части слоя мигмы, что обусловливает относительно свободное перемещение и деформацию ее верхней части.

Новые данные по стратиграфии, тектонике и магматизму древних толщ Тянь-Шаня позволили перейти к плейттектонической интерпретации структуры и эволюции покровно-складчатого сооружения Тянь-Шаня. Предлагается новая схема тектонического районирования территории Киргизского Тянь-Шаня. Основной упор делается на выделение геодинамических комплексов: континентов, микроконтинентов, пассивных и активных окраин, открытых океанических бассейнов и окраинных морей; а также структурных элементов: автохтонов, параавтохтонов, аллохтонов, неоавтохтонов, определяющих пространственные соотношения слагающих их структурно-вещественных комплексов. На протяжении длительной истории геологического развития территории менялись контуры и границы континентальных блоков, возникали и исчезали океанические бассейны. Развитие каледонид и герцинид Тянь-Шаня прошло в рамках полной реализации цикла Вильсона. Мезозойская история определялась внутриплитными процессами осадконакопления и магматизма. Начиная с олигоцена территория Тянь-Шаня вовлекается в новейший орогенез.

Рассмотрен состав, строение, особенности пространственного распространения и палеотектонических условий формирования докембрийских образований Тянь-Шаня и смежных территорий, коррелятных синию Китая и тамьян-вендским толщам чехла Русской платформы. Предложена модель докембрийской эволюции Центрально-Азиатского океанического бассейна с этапами предсинийской аккреции и вендской орогении. Основные из датированных событий: субдукция и окраинно-континентальный вулканизм – 83030 млн лет; предсинийская аккреция – 70020; рифтинг (700–650); орогения – 65010 млн лет.

Рассматриваются типы и подтипы плотностного разреза земной коры в зоне, ограниченной Таласо-Ферганским и Восточно-Ферганским разломами, для которой характерно наличие в нижней коре (35–50 км) инверсионного разуплотненного слоя. Плотности пород рассчитаны по эмпирической формуле с использованием сейсмотомографических данных о скоростях продольных и поперечных сейсмических волн. В геологическом отношении данная территория примечательна тем, что именно здесь наиболее полное развитие получил Южно-Тяньшаньский офиолитовый пояс, маркирующий сутуру, сформировавшуюся в результате закрытия Туркестанского палеоокеана в среднем карбоне. В разрезе земной коры сутура прослеживается до глубины 15–20 км, она имеет конусообразную форму и повышенную плотность пород. Анализ гравиметрического поля и плотностных разрезов дают основание полагать, что в пределах данного конуса земная кора насыщена породами офиолитовой ассоциации.

В статье предложена реставрация угла наклона сейсмофокальной зоны, скорости поддвига и других геофизических параметров среднекаменноугольной-раннепермской субдукции в Северной Фергане по петрохимическим особенностям одновозрастных магматитов, обосновывается сходство этой зоны с таковыми в некоторых современных активных континентальных окраинах, что позволяет предполагать идентичность металлогенического характера этих регионов.

Приводятся новые данные по ряду рудных полей и месторождений Тянь-Шаня, пространственно тяготеющих к трансрегиональным глубинным зонам нарушений С-З направления. Последние хорошо маркируются эпицентрами мелкофокусных землетрясений и афтершоками, аномально повышенными тепловыми потоками (до 130 мВт/м²) и хорошо диагностируются геофизическими методами. Они наследуют направления более древних дислокаций и секут структуры "тяньшаньского" направления.
Блок восточнее Таласо-Ферганского разлома (восточнее 74^o в.д.) характеризуется низкой сейсмической активностью. Здесь магнитотеллурическим зондированием устанавливается наличие непрерывного корового проводящего слоя, а по данным поведения скоростей продольных волн - наличие волноводов. В этом сегменте особый интерес представляют Барскоонская зона глубинных разломов и ряд рифтогенных прогибов. Крупное по запасам золоторудное месторождение Кумтор расположено на пересечении тыловодужного магматического пояса Срединного Тянь-Шаня и линии Николаева Борскоонским глубинным разломом.

В работе предлагается и обосновывается новая концепция подхода к решению проблемы прогноза землетрясений и организации мониторинговых наблюдений на Южно-Байкальском геодинамическом полигоне. Эта концепция основывается в первую очередь на необходимости учета общегеодинамических причин возникновения очагов метастабильного состояния в земной коре. Показывается, что значительную роль при этом играют региональные изменения напряженного состояния, обусловленные как процессами перераспределения коровых напряжений при сейсмических активизациях в регионе, так и более удаленными сейсмогеодинамическими процессами на межплитных границах. Предполагается, что физика очага должна со временем уступить место физике достаточно крупных очаговых зон. Одним из главных факторов, определяющих свойства сейсмогенной среды, является ее блоковое строение, откуда следует необходимость как экспериментального, так и теоретического изучения особенностей развития динамических процессов в таких блоковых геосистемах.

Чтобы объяснить задержку во временах прихода P-волн, зарегистрированных на двух сейсмических профилях, секущих Южные Альпы Новой Зеландии, необходимо допустить наличие высокоскоростной зоны в верхней мантии под Альпами. Модель остаточных невязок не соответствует предполагаемой модели субдукции мантийной литосферы одной плиты под другую. Вместо этого кажется, что высокоскоростная зона маркирует каплю холодной литосферной мантии, погружающуюся под восточной частью Южных Альп, прямо под самым толстым участком земной коры, т. е. там, где мантийная литосфера стала толще из-за сдвиговых деформаций. Расчет неустойчивости Рэлея-Тейлора для утолщенного тяжелого слоя c подстилающим более легким слоем, показывает, что форма капель тонущего тяжелого материала сильно зависит от отношения эффективной вязкости коры и мантии. Там, где эффективная вязкость плавающего верхнего слоя (коры) велика, одна капля погружается под областью максимального утолщения верхнего слоя. В структуре коры Новой Зеландии, где выявлена одна погружающаяся капля, крупномасштабные сдвиговые воздействия могли привести к понижению вязкости мантии. Однако в другом случае, если вязкость верхнего слоя мала, две погружающиеся капли могут образоваться вблизи зоны, где плавучий слой (кора) сжат по горизонтали. Между этими каплями неустойчивый слой (литосферная мантия) становится тоньше. Такой процесс может происходить и в пределах Тянь-Шаня.

Из анализа данных о 125 000 землетрясениях из каталога Национального информационного центра по землетрясениям Геологической службы США за 1964–1990 гг. и временной зависимости за тот же период угловой скорости вращения Земли (t) показаны значимые положительные коэффициенты корреляции между графиками |d/dt| и ежегодным числом землетрясений (t) – усредненного по нескольким годам ежегодного числа землетрясений N(t) различных регионов Земли в зависимости от распределения гипоцентров с глубиной (так называемая T-компонента сейсмической активности). При этом специально исследовались зоны спрединга и субдукции. Одновременно в двух произвольных смежных областях по обе стороны от границы тектонических плит (в зонах субдукции и в системе срединно-океанических хребтов и континентальных горных систем) коэффициенты корреляции между функциями [N₁(t) – ₁(t) ] и [N₂(t) – ₂(t) ], описывающими так называемую M-компоненту сейсмической активности, оказываются отрицательными. Такое поведение демонстрируют "поверхностные" (400 км) землетрясения.

Проанализированы результаты геотермических исследований, проводившихся в пределах Тянь-Шаня с начала 60-х годов. Впервые публикуется "Каталог определений теплового потока в Тянь-Шане и на прилегающих территориях". Установлены основные закономерности пространственных вариаций теплового потока, который изменяется от 16 до 134 мВт/м² при среднем значении 50 12 мВт/м ². Площади с повышенным тепловым потоком (более 60 мВт/м²) занимают около 60 % всей территории Киргизии и приурочены в основном к северо-восточной и западной частям региона. Тепловой поток использован для оценки глубинных температур геотермическим методом, основанным на решении уравнений теплопроводности для реальных моделей литосферы. Получены распределения температуры на нижних границах земной коры и литосферы. В аномальных зонах температура на границе Мохо превышает 1000–1200 ^oC, а мощность литосферы сокращается до 50 км. Для получения более детальной и достоверной информации необходимо продолжить геотермические исследования в регионе, используя в том числе и нетрадиционные методы. Рассмотрены возможности применения с этой целью газовой геохимии, а именно сведений о содержании двуокиси кремния и стабильных изотопов гелия (³He и ⁴He) в водах подземных источников, а также термобарометрии коровых и мантийных ксенолитов.

В статье приведены результаты комплексного анализа региональных геофизических полей Высокой Азии, отражающих особенности тектонического строения региона и происходящих в его недрах геодинамических процессов. На основе сопоставления карт геофизических полей, а именно: ундуляции геоида, аномальных гравитационного и магнитного полей, теплового потока, поглощения S-волн, групповых скоростей поверхностных волн Рэлея для периодов 10–70 с, распределения скоростей Рn-волн в верхней мантии Высокой Азии – предлагается, что они обусловлены наличием здесь аномалеобразующего тела, сформированного из разуплотненного и горячего вещества, названного авторами Тибетским плюмом. Предложена его структура. Из сравнения сейсмичности и геофизических полей сделан вывод об определенной корреляции между проявлениями сейсмичности и структурой геофизических полей. Выявлено, что высокоградиентные зоны геофизических полей могут служить индикаторами возможных зон сильных землетрясений. В заключение отмечается, что динамика региона Высокой Азии определяется сочетанием процессов, связанных как со столкновением Индостанской и Евразийской литосферных плит, так и продолжающимся развитием Тибетского плюма.

В настоящей статье приводится характеристика первой трехмерной скоростной модели земной коры Тянь-Шаня, построенной на основе использования времен пробега Р- и S-волн от местных и удаленных землетрясений, зарегистрированных сейсмическими станциями, расположенными на территории Киргизии и прилегающих к ней районов. Рассчитанная модель позволила получить принципиально новые данные о глубинном строении Тянь-Шаньского орогена.
На примере скоростного разреза, построенного вдоль протяженного профиля, секущего очаговые зоны пяти сильных землетрясений (M 6), показаны различные структурные типы земной коры. Проиллюстрированы особенности скоростного строения очаговых зон сильных землетрясений и сформулированы критерии их выделения: наличие волноводов, субвертикальных ослабленных "каналов" и высокоскоростных тел, к которым приурочены очаги сильных землетрясений.
Приведены примеры геолого-геофизической интерпретации первой сейсмотомографической модели. Вместе с тем отмечается ее несовершенство. Показана необходимость построения новой модели. Описан расширенный массив данных, используемый для ее построения. Указаны принципы, положенные в основу сбора данных и расчета новой модели.
Уделено внимание построению одномерной стартовой модели, являющейся основой для расчета новой трехмерной. Приведены некоторые предварительные результаты трехмерного моделирования. Предполагается, что новая модель, описывающая структуру Тянь-Шаня в региональном масштабе, позволит более обоснованно судить о происходящих в исследуемом регионе геодинамических процессах.

Тянь-Шань является лучшим в мире примером процесса активного внутриконтинентального горообразования. В период с 1998 по 2000 гг. в районе Тянь-Шаня была создана сеть из 28 сейсмостанций для изучения того, как упругая энергия накапливается в этом районе. Предварительный анализ сейсмограмм этой сети позволяет сделать два важных вывода. Во-первых, анализ обменных P-SV-волн от границы Мохо показывает, что кора под Центральным Тянь-Шанем необычно малой мощности. Здесь она не толще, чем кора под Казахстанским щитом, расположенным к северу, или под Таримским бассейном, находящимся на юге. Во-вторых, расщепление SKS-волн показывает, что распределение напряжений в мантии является откликом на сжимающие нагрузки в меридиональном направлении, т. е. структура напряженного состояния оказывается перенесена далеко на север от зоны орогенеза.

Нормализованная бимодальная интерпретация МТ-зондирований, выполненных в горах Киргизского Тянь-Шаня, позволяет создать надежную геоэлектрическую модель этого региона. В разрезах присутствует проводящий слой в низах земной коры и субвертикальные проводящие зоны в верхней части коры. Высокие значения суммарной продольной проводимости верхней и средней коры отчетливо коррелируют с выделяемыми по гравиметрическим наблюдениям зонами пониженной плотности.
Нормализация, бимодальная интерпретация, магнитотеллурика, двумерная инверсия, суммарная продольная проводимость, тензор импеданса.

В статье представлены результаты микросейсмических и электромагнитных исследований оползня в долине р. Суусамыр (Тянь-Шань, Киргизия), а также лабораторных ультразвуковых экспериментов на образцах грунтов, отобранных на этом оползне. В результате анализа спектральных и поляризационных характеристик микросейсм на оползневом склоне выявлено, что в частотном диапазоне 120–210 Гц основная энергия микросейсмических колебаний связана с процессами образования микротрещин в зонах концентрации напряжений в слагающих склон породах. Площадные электромагнитные наблюдения показали, что использованная технология электромагнитного сканирования позволяет детально исследовать особенности строения оползневых структур. Данные ультразвуковых измерений на отобранных на оползне образцах демонстрируют высокую чувствительность параметров сейсмических волн к изменению напряженно-деформированного состояния грунтов. Полученные результаты подтверждают перспективность использования геофизических методов для изучения оползневых структур и оценки устойчивости склонов.

Были определены скорости смещений по наиболее активным взбросам, реконструирована обширная доорогенная эрозионная поверхность и построены локальные и региональные разрезы. По субмеридиональному пересечению, охватывающему центральную часть Киргизского Тянь-Шаня, было проведено магнитостратиграфическое изучение синтектонических третичных осадочных пород. Кумулятивная скорость позднечетвертичного сжатия вдоль этого разреза составляет 10 мм/год. Она распределена по 5 главным зонам разломов, самые активные из которых расположены в центральной части пересечения. Используя кинематические модели, разработанные в других районах, где деформации также затрагивают основание, авторы рассчитали, что в позднем кайнозое величина сокращения земной коры составила 35–80 км. Очевидно, что одновременное заложение осадочных бассейнов, по меньшей мере в трех главных впадинах, около 12 млн лет назад маркирует начало современного орогенеза. Исходя из рассчитанной скорости сжатия в 10 мм/год, измеренной по активным разломам и по данным GPS, был сделан вывод, что со временем эта скорость возрастала. Несмотря на то, что предполагается ускорение сжатия, было показано, что оно всегда шло в сходном стиле: преобладало субмеридиональное сокращение вкрест субширотных взбросов, нарушающих основание. При этом деформации локализовались в пяти зонах, которые ограничивают самые крупные и глубокие третичные впадины, наиболее четко выраженные в рельефе и нарушенные наиболее активными современными разломами.

Ранее выполненные работы позволили обнаружить синхронизм между региональными и локальными деформационными процессами по сейсмологическим материалам и материалам электромагнитного мониторинга территории одной из наиболее сейсмоактивных областей Северного Тянь-Шаня (Бишкекский прогностический полигон). Встает вопрос о механизме связи этих процессов. Как известно, сейсмический процесс зависит от распределения напряжений в объеме горных пород. Характеристики распределения напряжений статистически могут быть отражены через распределение землетрясений на исследуемой территории. Изучая распределение сейсмических событий, можно судить о механизме, определяющем распределение напряжений.
Полученные карты распределения плотности эпицентров землетрясений характеризуются устойчивым максимумом в области гор Гиндукуша и постепенным снижением величин при удалении от него. Предварительные результаты решения модельной задачи по распределению напряжений в упругой среде показывают, что напряжения от центрального источника спадают значительно быстрее, чем наблюдаемое распределение плотности землетрясений в регионе. Подобное несоответствие можно разрешить, если допустить наличие горизонтальных сил, действующих снизу.
GPS данные, полученные с 1993 по 1999 г. на региональной сети по Тянь-Шаню, свидетельствуют, что некоторые тектонические блоки (особенно в восточной части исследуемой территории) перемещаются с приблизительно идентичными скоростями преимущественно в северном направлении. Складывается впечатление, что блоки перемещаются по поверхности какого-то пластичного горизонта в земной коре. Магнитотеллурические исследования выявили в нижней коре электропроводящий горизонт на всей территории Южного Казахстана и Тянь-Шаня. Найденный слой может быть тем пластическим горизонтом, по которому перемещается верхняя часть земной коры и через который передаются горизонтальные силы одновременно на весь регион за счет вязкости текущего вещества.
Установлено, что локальные сейсмогенерирующие зоны в пространстве совпадают с субгоризонтальными областями повышенной удельной проводимости. Эти области являются разупроченными зонами тектонического происхождения. Их повышенная удельная проводимость, по всей видимости, вызвана поступлением горячих растворов из нижнекорового горизонта через субвертикальные зоны, соединяющие эти горизонты. Через субвертикальные зоны осуществляется также силовое взаимодействие между сейсмогенерирующей зоной и нижнекоровым горизонтом.

Авторы интерпретируют GPS измерения современных деформаций в пределах Западного Тянь-Шаня в рамках блоковой модели, учитывающей важные геологические особенности (разломы) и физические процессы (накопление упругих деформаций). Благодаря этому анализу появляется возможность определять величину деформации, локализованной в активных структурах. В центральной части Западного Тянь-Шаня зона Джуанарыкского разлома является наиболее активным надвигом, по которому происходит меридиональное укорачивание его почти на 5 мм/год. Наоборот, широко известный в регионе Таласо-Ферганский сдвиг имеет очень небольшое горизонтальное смещение.

Высокая плотность GPS сети в Тянь-Шане и длительный период наблюдений позволили построить векторное поле скоростей, а также поле деформаций на поверхности земной коры. Обнаружена компактная цельная область сжимающих деформаций. Сравнение поля деформаций с пространственным распределением слабой сейсмичности, построенной для того же периода времени, показало их значительную корреляцию. GPS и сейсмические данные были сопоставлены также с данными магнитотеллурических зондирований и, в частности, с геометрией поверхности корового проводящего слоя, выделенного под Тянь-Шанем. Область максимальных сжимающих деформаций лежит над северным склоном поверхности слоя, а интенсивность деформаций коррелируется с величиной угла наклона этой поверхности. Почти все сейсмические события размещаются выше кровли слоя. Показанные совпадения говорят, что поле деформации и распределение сейсмичности связаны единым тектоническим процессом и зависят от геометрии корового проводящего слоя.

Рассмотрено воздействие мощных электромагнитных импульсов МГД-генератора на сейсмический режим в пределах Бишкекского геодинамического полигона. Установлено, что после пусков МГД-генератора сейсмичность рассматриваемого района становится заметно выше, чем до них. Активизация местных землетрясений возникает через 2 – 4 дня после пусков и продолжается в течение нескольких суток. Показано, что электромагнитные импульсы инициируют выделение энергии, накопленной средой в ходе тектонических процессов, в виде относительно слабых землетрясений.

Измерения в специализированных подземных обсерваториях с помощью наклономеров и деформографов являются важной частью исследований кинематических характеристик земной коры Северного Тянь-Шаня. В работе анализируются длинные серии наблюдений наклонов и деформаций, полученные в подземной обсерватории Ала-Арча (42,63^o с.ш., 74,50^o в.д.). Представлены результаты приливного анализа данных. В ходе медленных вариаций наклонов и деформаций выделены сезонные, склоновые эффекты и изменения, вызванные сейсмической активностью региона. Среднегодовая скорость меридионального сжатия для периода 1985–1997 гг. равна 3 10 ^–7, а на интервал 1989 – 1997 гг. – 7 10 ^–7.

Работа посвящена исследованию деформационных процессов земной коры Северного Тянь-Шаня деформографическими методами. Показаны технические характеристики аппаратуры, приведено описание деформационных станций, размещенных в разных геологических условиях, охарактеризована точность измерений деформаций. Приведены примеры выделения деформационных возмущений, предваряющих землетрясения. Рассмотрены особенности сезонных изменений в весенние и осенние промежутки. Показано, что в весенние периоды времени регистрируются деформации расширения, а в осенние - сжатия. Дана оценка зон развития аномальных деформаций в течение времени подготовки сейсмического события, отмечены аномальные деформации, не связанные с возникновением землетрясений. Они обусловлены чаще всего изменениями гидрогеологического режима.

При Кеминском (Кебинском) землетрясении 1911 г. с M_s = 8,2 в Северном Тянь-Шане на территории Киргизии и Казахстана образовалась сложная система поверхностных разрывов суммарной протяженностью около 190 км и многочисленные оползни и каменные лавины объемом до нескольких десятков миллионов кубометров. Судя по распространению сейсмодислокаций, при землетрясении были активизированы шесть сегментов Кемино-Чиликской и Аксуйской зон разломов, различающихся по своей ориентировке и кинематике подвижек. Кеминское землетрясение - одно из наиболее сильных в серии сейсмических катастроф, произошедших в Кюнгейском и Заилийском хребтах с 1887 по 1938 г. Его последствия были подробно обследованы и описаны группой исследователей под руководством К. И. Богдановича. В рамках программы Европейского сообщества INCO-COPERNICUS было проведено повторное изучение сейсмогенных разрывов и оползней, связанных с этим землетрясением. Наряду с этим была исследована структурная позиция Кемино-Чиликской и Аксуйской зон разломов, выявлены и описаны особенности выделяемых в их пределах сегментов. В целом эта система образует левостороннюю транспрессионную структуру, контролирующую формирование горных хребтов между Иссык-Кульской впадиной и устойчивым блоком Центрального Казахстана. Сейсмотектонические дислокации 1911 г., которые к настоящему времени могут быть прослежены на местности на протяжении примерно 100 км, обычно наследуют нарушения со следами многократных сейсмогенных подвижек. Наличие отчетливых палеосейсмотектонических дислокаций и крупных древних скальных оползней в долинах рек Чон-Кемин, Чон-Аксу и Аксу свидетельствует о том, что сильные землетрясения происходили здесь и в прошлом.

Излагаются результаты исследований по влиянию слабых низкочастотных вибраций на процесс деформирования горных пород при постоянной нагрузке. В экспериментах на одноосное нагружение гранитных образцов регистрировались деформационные характеристики, режим акустической эмиссии (АЭ) и форма отдельных импульсов АЭ. Выявлено наличие временной задержки между началом вибраций и последующим возрастанием активности АЭ, а также последействие вибраций при их выключении. Длительность задержки уменьшалась по мере возрастания нагрузки и сокращения перерыва между вибросеансами. Установлен пороговый характер триггерного воздействия слабых вибраций на темп дилатансионного деформирования горных пород.
Наблюдаемые эффекты рассматриваются в свете известных результатов по изучению виброупругости, акустопластики и акустической эмиссии нагруженных материалов. С позиций кинетической концепции прочности твердых тел и нелинейной акустики обсуждаются предлагаемая теоретическая модель явления и масштабные эффекты вибровоздействия на нагруженные геоматериалы.

Исследовалась тонкая структура импульсов акустической и электромагнитной эмиссии, регистрируемой при одноосном сжатии образцов горных пород на стадии их дилатансионного деформирования. Выявлены четыре типа сигналов, отличающихся по частоте и длительности. Предполагается, что сигналам первого типа соответствуют образования трещин отрыва, второго - трещин сдвига, низкочастотным сигналам третьего типа –колебания конструктивных элементов нагружающего устройства. Четвертый тип сигналов отнесен к импульсной электромагнитной эмиссии, обусловленной выходом заряженных дислокаций на границу зерен в минералах с ионным типом связей, входящих в состав гранита.