Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 496, № 2, стр. 115-121

ВВЕДЕНИЕ

Изучение распределения глубинных структурно-вещественных неоднородностей, а также их комплексная геолого-геофизическая характеристика представляют собой одну из наиболее актуальных задач современной тектоники и геодинамики. То обстоятельство, что метод магнитотеллурического зондирования (МТЗ) наиболее чувствителен к электропроводящим структурам в земной коре и верхней мантии, которые могут быть обусловлены наличием флюидов, делает его одним из наиболее успешных глубинных геофизических методов при изучении разломных структур в геодинамически активных областях [1–3]. Сонкульская впадина представляет собой плоскую котловину размером примерно 29 × × 57 км (оз. Сон-Куль имеет размер 19 × 25 км), по форме близкой к эллипсу, вытянутому в широтном направлении. Она находится на высоте чуть более 3000 м в обрамлении хребтов, гребни которых подняты до 3800 м и более. Эти хребты входят в Молдотау-Терскейскую систему поднятий. Сонкульская впадина географически является звеном весьма протяженной зоны высокоподнятых и относительно узких (долинообразных) внутригорных впадин [4]. На западе она ограничена субширотными разломами линейными грабенами Минкуш-Кокомеренской зоны, на востоке прослеживаются в рельефе Оттук-Коктурпакской и далее Арчалу-Джиналачской впадин (рис. 1). Обращает на себя внимание аномально большая ширина Сонкульской впадины (∼20 км), придающая ей почти изометричные очертания. Такая изометричная форма, резко отличающая Сонкульскую впадину от грабенов Минкуш-Кокомеренской зоны, определяется отсутствием крупных разломов в бортах впадины, а также более молодым возрастом Сонкульской впадины, являющейся наложенной на более древние прогибы Минкуш-Кокомеренской зоны. Отложения юры и олигоцена-неогена (киргизская и нарынская свиты) в пределах Сонкульской впадины отсутствуют, и здесь представлены лишь маломощные четвертичные осадки. В структурном и историческом отношении Сонкульская впадина не является элементом Минкуш-Кокомеренской зоны линейных грабенов – она представляет более молодой, наложенный бассейн. Ранее считалось, что основанием впадины является обширный и глубокий гранитоидный батолит. Но в свете более поздних реконструкций Сонкульский гранитоидный массив не считается батолитом, а представляет собой довольно тонкую пластину, которая по своим реологическим свойствам почти не отличается от вмещающих формаций. В качестве возможной причины наличия крупного гранитоидного массива, который отличается аномальными значениями кажущегося сопротивления, рассматривалось также влияние проходящих здесь глубинных тектонических нарушений регионального порядка [3, 5]. Выполненные в настоящей работе магнитотеллурические зондирования могут дать предпосылки к уточнению ответа на вопрос: связаны ли обнаруженные геоэлектрические аномалии с глубинными тектоническими нарушениями или с трещиноватостью самого Сонкульского гранитоидного массива. В непосредственной близости проходит важнейшая тектоническая структура Центрального Тянь-Шаня, известная под названием Линии Николаева. Ей придается весьма важное значение во многих структурных, палеотектонических, геофизических и других реконструкциях, и она рассматривается как один из принципиальных глубинных элементов структуры Тянь-Шаня. Вместе с тем эта крупнейшая структурная граница между разновозрастными формациями Северного и Срединного Тянь-Шаня практически не проявляет себя в неотектонической структуре, при этом хорошо отражается в результатах глубинных электромагнитных исследований. Еще один структурный элемент, который может проявиться в геоэлектрической модели, это так называемая Киргиз-Терскейская океаническая сутурная зона [6], которая прослеживается от западной части Киргизского хребта на юго-восток в район оз. Сон-Куль и далее к востоку в верховья р. Нарын. С другой стороны, глубинное строение исследуемого региона как части Иссык-Кульского микроконтинента также представляет особый интерес для многих ученых [7–9]. Можно ожидать, что выполненные детальные магнитотеллурические зондирования дадут более определенные данные для решения этих вопросов, имеющих не только региональный, но и общенаучный интерес. Поэтому на территории Сонкульской впадины силами Научной станции РАН в г. Бишкеке в рамках выполнения проекта РНФ № 17-16-10059 были проведены работы методом МТЗ вдоль профиля “Сон-Куль”, заложенного вкрест простирания основных тектонических структур Центрального Тянь-Шаня (рис. 1).

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью настоящего исследования являются изучение глубинной геоэлектрической структуры и ее сопоставление с геологическим строением для обоснования строения литосферы вдоль МТЗ-профиля “Сон-Куль”. Для достижения указанной цели были выполнены новые детальные МТ-зондирования вдоль профиля, заложенного параллельно 75 меридиану (рис. 1) и секущему основные тектонические элементы Северного Тянь-Шаня: хребты – Киргизский, Джумгал-Тоо, Сон-Куль-Тоо и Молдо-Тоо; Сонкульскую впадину, разломные зоны разного ранга, офиолитовую зону, приуроченную к оз. Сон-Куль. Общая протяженность профиля составила 90 км, он включает в себя 30 пунктов зондирования; наблюдения вдоль профиля проводились с различным шагом – от 1 до 15 км, в зависимости от полевых условий. Работы выполнялись аппаратурой Феникс MTU-5А в диапазоне периодов 0.001 до 1600 с. Измерение трех компонент магнитного поля проводилось с помощью штатных индукционных датчиков МТС-50, ориентированных на север, восток и вертикально. Компоненты электрического поля измерялись диполями длиной 50 м, заземленными неполяризующимися электродами с марганцево-угольной крошкой, разработанными и запатентованными Научной станцией РАН. Обработка данных была выполнена только в одноточечном режиме. Математическая обработка полученных материалов полевых зондирований по профилю “Сон-Куль” осуществлялась с помощью штатного пакета программ SSMT-2000 (Феникс). В результате обработки были получены частотные зависимости компонент тензора импеданса и матрицы Визе-Паркинсона в диапазоне периодов 0.001–1600 с. По результатам обработки данных МТЗ были получены оценки тензора импеданса, типперов и горизонтального магнитного тензора в программе MT-Corrector (разработанной российской компанией “Северо-Запад”) по стандартной для Тяньшанского региона схеме исследований [10–13].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

Качественная и количественная интерпретация полученных данных выполнялась согласно методике, рассмотренной в работах [10–13]. Построение геоэлектрической модели вдоль профиля “Сон-Куль” включало в себя параметризацию импеданса – определение параметров неоднородности N и амплитудного параметра асимметрии Skew (рис. 2). Данные построения необходимы для районирования исследуемой территории по “электрической размерности” среды и позволяют оценить степень горизонтальной неоднородности среды и локализовать выделяемые структуры.

Параметр неоднородности N определяется по формуле:

где $Z_{p}^{ + }$, $Z_{p}^{ - }$ – главные значения тензора импеданса, определяемые методом ортогонализации Эггерса [14]. Он характеризует степень горизонтальной неоднородности среды. Если среда горизонтально однородна (1D), то N = 0.

Амплитудный параметр асимметрии [14] skew (skew – перекос) также является мерой асимметрии среды. В случае двумерной модели skew = 0.

Псевдоразрезы skew и N характеризуют степень горизонтальной неоднородности среды, значения skew до значительных глубин составляет 0.1, что означает возможность применения 2D-инверсии МТ-данных. Об этом же свидетельствует и псевдоразрез параметра N, аномальным поведением (как это зачастую бывает) этот параметр не отличается.

Двумерная сглаживающая инверсия МТ-данных по профилю “Сон-Куль” (рис. 3) выполнялась с помощью программы Rodi-Mackie [15].

Эта программа применяет метод нелинейных сопряженных градиентов, который пытается минимизовать целевую функцию, представляющую собой сумму нормализированных невязок данных и сглаженности модели. Взаимоотношение между невязками данных и сглаженностью модели контролируется параметром регуляризации τ. Входными данными инверсии являются продольные и поперечные кривые кажущегося сопротивления и фаз импеданса, в обозначениях этой программы TE- и ТM-моды, и типперы по 30 пунктам наблюдения в интервале периодов от 0.01 до 1000 с. Сетка аппроксимационной модели состоит из 179 ячеек по горизонтали, разреженных по краям модели и учащенных в окрестностях точек зондирования, и из 151 ячейки по вертикали, увеличивающихся по размерам с глубиной. При построении сетки детально (с шагом по 50 м) учитывается рельеф местности. Сопротивление стартовой модели 100 Ом м. Пределы погрешности инвертируемых данных были установлены следующие: модуль кажущегося сопротивления (ТЕ-мода) – 100%, модуль кажущегося сопротивления (ТМ-мода) – 10%, фаза импеданса (ТЕ-мода) – 5%, фаза импеданса (ТМ-мода) – 5%, типпер – 0.05%. В результате нескольких тестовых расчетов инверсии было выбрано значение параметра регуляризации τ = 3. После выполнения 200 итераций была получена модель, представленная на рис. 3. Значение RMS-невязки (сходимость инверсии) составило 2.54.

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА

Итоговая геоэлектрическая модель показана на рис. 3, где ключевые неоднородности разреза для удобства интерпретации пронумерованы, а в тексте номера указаны цифрами в скобках. В целом модель характеризуется контрастным распределением объектов с различным сопротивлением. Для верхней части разреза наблюдается хорошая корреляция между высокоомными блоками модели и горными хребтами – Молдо-Тоо (4), Джумгал-Тоо и Киргизским (8), исключением является хребет Сон-Куль-Тоо. Наиболее контрастной субвертикальной геоэлектрической структурой является зона Линии Николаева (1), которая характеризуется аномально низким сопротивлением (2–10 Ом м) с глубиной залегания до 45–50 км и является границей между Северным и Срединным Тянь-Шанем. Максимальная ширина аномальной зоны высокой электропроводности достигает 5–7 км. Физическая природа ее повышенной проводимости может быть связана как с общей флюидонасыщенностью сближенных разломов, так и с выявленными в верхней части разреза с индеформационными процессами иллитизации глин и гидратации полевых шпатов в глинках трения по юрским породам, встречающимися в соседней Минкуш-Кёкёмеренской шовной зоне [16].

Высокоомный блок (5), образующий центральную часть разреза, может быть образован магматическими породами кислого состава (?) и представляет собой осевую часть Иссык-Кульского микроконтинента [7, 8, 17]. Проводящая подковообразная структура, окружающая высокоомный блок (2), предположительно, по результатам наблюдения выходов на поверхность пород, сложена докембрийскими слюдосодержащими гранито-гнейсами и метаморфическими породами, которые характеризуются повышенной трещиноватостью и, как результат, высокой флюидонасыщенностью. Такие породы слагают нижнюю часть Иссык-Кульского микроконтинента, граница которого переходит в нижнекоровый проводящий слой. Также в геоэлектрическом разрезе проявляется Центрально-Терскейская зона разломов в районе пункта 30 (рис. 3). Мозаичное распределение областей (объектов) повышенной электропроводности (пункты 29–30) в зоне сочленения Киргизского хребта и Джумгальской впадины можно объяснить фрагментарным строением глубинного разлома, когда он состоит из ряда отдельных кулисообразно расположенных разрывов протяженностью до 15 км. Зона высокого градиента электрического сопротивления в пунктах зондирования 22–23 на геоэлектрическом разрезе соответствует офиолитовому шву [6], который представляет собой фрагменты древней океанической коры.

Обращают на себя внимание два высокоомных тела, которые расположены непосредственно под оз. Сон-Куль (6а) и на глубинах 6–12 км (6б), со значениями кажущегося сопротивления (КС) 1000–1600 Ом м и разделенных горизонтальной электропроводящей зоной (КС = 160–200 Ом м) на глубине порядка 5 км (6в), которая может быть обусловлена повышенной трещиноватостью горных пород. Высокоомные объекты (6а) и (6б), возможно, ранее представляли собой единое тело, крупный интрузивный массив, по своим размерам сопоставимый с батолитом, глубина залегания которого достигает 15 км, а мощность примерно 6 км.

Субгоризонтальная зона повышенной электропроводности (7) может быть обусловлена тектонической дезинтеграцией горных пород и их высокой флюидонасыщенностью, она хорошо согласуется с положением верхнекорового проводящего слоя, спорадически распространенного на территории всего Центрального Тянь-Шаня [18].

В целом интегральная картина распределения и морфологии зон повышенной электропроводности в этом сегменте коры Срединного и Северного Тянь-Шаня может отражать, на наш взгляд, дискретно-локализованное проявление структур “пальмового дерева”, связанных с развитием в ходе герцинского и альпийского тектогенеза транспрессивных шовных зон локализованной деформации [19]. Последние, как правило, пространственно-иерархически сочетаются с компенсационными структурами транстенсии в виде пул-апартовых межгорных впадин [5, 20].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Таким образом, выполнен сравнительный анализ геологических и геофизических данных по ключевым элементам построенной геоэлектрической модели вдоль МТ-профиля “Сон-Куль”. Так, благодаря значительно большей детальности и точности данных МТ-зондирований уже на этапе качественной интерпретации и первых количественных оценок были получены соответствующие современным тектоническим представлениям свидетельства отражения границ Иссык-Кульского микроконтинента в проводящих структурах построенного геоэлектрического разреза. Разломные зоны четко фиксируются на геоэлектрическом разрезе в виде субвертикальных проводящих неоднородностей с различным наклоном интерпретируемых глубинных структур. Согласно имеющимся на сегодняшний день геолого-геофизическим данным (результатам исследования об очагах землетрясений, результатам GPS-измерений, структурно-геологическим исследованиям) в пределах Центрального Тянь-Шаня рассматриваемая зона находится в условиях общего горизонтального субмеридионального сжатия. Надвиги, формирующиеся в обстановках горизонтального сжатия, могут погружаться как к северу, так и к югу. Данное заключение находит подтверждение на построенном разрезе. Очевидно, что геоэлектрические аномалии – высокопроводящие структуры – имеют различную вергентность и форму, схожую с транспрессивными шовными структурами “пальмового дерева”. Распределение высокоомных объектов в верхней части разреза (до глубин порядка 25 км) подтверждает существующие представления о блоково-иерархической структуре верхней части земной коры Центрального Тянь-Шаня, а размеры блоков отражают степень дискретности ее тектонической переработки. Особенностью такого представления для верхней части земной коры является соответствие тектонофизическим представлениям о системе последовательно вложенных более мелких элементов в более крупные стабильные – зонно-блокового строения, а также наличие ограничивающих их подвижных зон. Принято, что такие подвижные зоны отличаются от стабильных блоков высокой дислоцированностью геологического субстрата.