Тяпкін К.Ф. Фізика Землі

Подождите немного. Документ загружается.

отримав середнє значення щільності 2,74 г/см

. Поряд із витри-

маністю середніх значень щільності порід фундаменту наведені

цифри свідчать про більше поширення в кристалічній основі по-

рід кислого і середнього складу, що мають меншу щільність, ніж

породи основного й ультраосновного складу.

У разі побудови щільнісної моделі витриманість середніх зна-

чень щільності порід фундаменту на території платформ може

бути основою для використання щільнісної межі фундамент —

чохол. За різної глибини фундаменту на платформах ця межа мо-

же робити свій внесок у гравітаційне поле, що спостерігається.

Проте водночас на щитах, де фактично фундамент виходить на

поверхню, спостерігаються регіональні аномалії розмірами від де-

кількох десятків до сотень кілометрів та інтенсивністю, що дося-

гає декількох десятків мілігат.

За умов різкої мінливості щільності порід фундаменту й нерів-

номірної вивченості джерела такого роду аномалій не завжди оче-

видні навіть на хцитах, не говорячи вже про платформи загалом.

Виходячи із значних горизонтальних розмірів аномалій, багато

дослідників пов'язує їх із підійманням глибинних щііьнісних

меж, зокрема межі М. Частина дослідників вважає, що яе блоки

фундаменту з підвищеними середніми значеннями щільності. У

межах Українського щита цю проблему детально вивчав Г.Я. Го-

ліздра. Він розробив оригінальні методики вивчення і зображення

на картах фактичних геологічних даних і даних вимірювань щіль-

ності на зразках із відслонень і свердловин [50]. Не зупинятиме-

мось на них детально, але розглянемо деякі результати дослі-

джень на прикладі Голованівської регіональної позитивної граві-

таційної аноматії, що відповідає Голованівському блоку фунда-

менту.

На рис. 36 наведено карти складу порід і результати вивчення

їхньої щітьності в районі Голованівської аномалії, позначеної

двома умовними контурами: внутрішнім і зовнішнім. Внутрішній

контур обмежує найвищі значення аномалій грвітацінного поля,

зовнішній — найнижчі, а ділянка між ними відповідає середнім

значенням аномалій гравітаційного поля.

З рис. 36 видно, шо ділянка з високими значеннями аномалій

гравітаційного поля видаляється насиченою породами основного

й ультраосновного складу, що мають максимальні значення щіль-

ності. У периферійних частинах аномалій максимально поширені

граніти, що мають найнижчі значення щільності. За даними

Г.Я. Голіздри, середньовиважені значення щільності порід у ме-

жах ділянки високих значень аномалій гравітаційного поля —

2,81, у межах середніх — 2,76, а в межах низьких — 2,65 г/см

, тобто

109

Рис. 36. Каріа-мозаїка складу порід (а) і карш щільності кристалічних порід (б) району

ато

ванівської аномалії (Український щит):

—

умовні контури І'оловаивської аномалії (внутрішній и зовнішній); 2-4

—

зони впливу свердловин,

що розкрили різні породи (2

—

амфіболіти, габроіди, перидотити, 3 - чарнокіти, гнейси, піроксенові і

гранатові мігматити, 4

—

граніти); 5

—

точки визначення щільності; 6

—

контури вивчених ділянок;

7-10 - ділянки значень щільності порід, г/см

(7 - 3,00, 8 - 3,00-2,80, 9 - 2,80-2,65, 10 - < 2,65)

практично спостерігається корелювання між рівнем гравітацій-

ного поля і середньовиваженими значеннями щільності порід на

поверхні фундаменту. Аналогічні закономірності, встановлені ним

у межах інших регіональних позитивних гравітаційних аномалій

на Українському щиті, дали йому змогу зробити важливий висно-

вок про природу регіональних позитивних гравітаційних аномалій

типу Голованівської. Одним із джерел регіональних гравітаційних

аномалій, безумовно, є неоднорідності петрографічного складу

порід, що починаються з поверхні фундаменту.

На жаль, результати описаного вище аналізу не дають прямої

відповіді на запитання: як змінюється встановлена закономірність

із глибиною? Це, в свою чергу, не дає змоги відповісти на запи-

110

тання: чи є неоднорідності, яке фіксуються на поверхні фунда-

менту, єдиним джерелом аномалій, що вивчаються, чи є додатко-

ві глибинні джерела і яке співвідношення внесків цих джерел в

аномалії, які спостерігаються? Відповіді на ці запитання, мабуть,

можна отримати моделюванням гравітаційного поля, що прово-

диться в рамках якої-небудь тектонічної концепції.

Для вивчення джерел регіональних гравітаційних аномалій ав-

тор цієї праці свого часу виконав порівняння рівнів гравітацій-

ного поля Українського щита за блоками першого порядку, утво-

реними діагональною системою розломів, і середньої щільності

порід у межах цих блоків [75]. На рис. 37, а наведено схему граві-

таційного поля Українського щита, а на рис.37, б

—

графік коре-

- лювання відхилень середніх значень гравітаційного поля блоків

від середнього значення поля по щиту загалом АД# і різниць між

середніми значеннями щільності кристалічних порід цих блоків і

середньої щільності порід кристалічної основи щита Дст. На рис.

37, б досить наочно видно близьке до лінійного корелювання між

змінами значень гравітаційного поля і середньої щільності порід

кристалічної основи по блоках. За даними дев'яти блоків, збіль-

шення значень ДД# на 10 мГал відповідає зростанню їхньої сере

дньої щільності на 0,05 г/см

. Два блоки (VI і VIII) «випадають» з

цієї закономірності. Вони представлені породами коросген-

ського комплексу, серед яких на поверхні фундаменту максимально

поширені граніти-рапаківі зі щільністю порядку 2,60—2,61 г/см

Практично це одне з найнижчих значень щільності порід щита.

Для того щоб блоки, які розглядаються, задовольняли встановле-

ній закономірності, вони повинні мати середню щільність нижчу

за щільність гранітів-рапаківі. Зміст цього парадоксу буде розгля-

нуто нижче.

Підбиваючи підсумки, підкреслимо встановлене вище ко-

релювання між змінами гравітаційного поля і середньою щіль-

ністю порід кристалічної основи, що спостерігається як у ме-

жах блоків порід розмірами порядку 140 х 140 км, так і блоків

другого порядку типу Голованівського (див. рис. 37, а — V).

Більше того, І.Г. Клушин і Л.Є. Шустова [84] дещо іншим

способом отримали аналогічну закономірність для Балтійсь-

кого щита. Отже, під час конструювання щільнісних моделей

земної кори потрібно враховувати, що у створенні регіональ-

них гравітаційних аномалій значну роль відіграють неоднорід-

ності петрографічного складу порід різних блоків, що почина-

ються з поверхні фундаменту і, мабуть, продовжуються вглиб.

Можливі закони зміни контрасту щільності між блоками з гли-

111

'•"ІІГІІ'І

— ..

ЧіІ

Рис. 37. Схема гравітаційного поля Українського щита (а) і графік корелювання

величин ЛДг і До (6):

1—4 — ділянки з різними рівнями і-равітаційного поля (7

—

високими, 2

—

підьишегоши, 3

—

зниженими, 4

—

низькими); 5

—

межі блоків діагональної системи 1-Х]{V' - Голованізськнй

блок другого порядку); 6

—

умовна межа Українського щита; 7

—

значення і Дст, що відпо-

відають блокам І- XI, 8

—

усередмовальна лінія

биною та роль інших факторів у формуванні регіональних анома-

лій буде розглянуто нижче.

Варто спеціально зупинитися на різниці в числових значеннях

щільності порід окремих зразків і великих об'ємів гірських порід

у верхній частині земної кори іп зіш. Всі описані вище закономір-

ності грунтуються на числових значеннях щільності порід, вимі-

ряної на зразках. Під час відбирання зразків перевага віддавалась

мінімально зміненим породам. Водночас, як уже підкреслюва-

лось, земна кора пронизана системами розломів, багато з яких є

зонами підвищеної шпаруватості. Зниження щільності порід у

цих зонах досягає 0,1 г/см

і більше.

Прикладом такої зони може бути Первомайський розлом, що

розділяє зони переважного поширення чарнокітів на заході і сі-

рих порфироподібних (кіровоградських) гранітів на сході. Його

центральна частина представлена рожевими аплітоїдними грані-

тами й пов'язаними з ними мігматитами. На рис. 38, а наведено

112

а,г/см

жа>ш>

Р>:с. Ж Графіки змьга Ап по одяш із

ліній,

шо перегинає Первомайський розлом,

ча

В.І. Шаповалми, Є. І. Симді'. Пі "-V

.<гн.-».гічк->іч>» (л

• о>мрішіи структура меж

блоків І різною шьіьніср • тх.вчаіа>»нс.о іодя (б~г):

! - чарнокіш; 2 - рожеві апліте гш п ані-и . .дії

дай * гчпмтч; ) - кірок» радгеью

;;орфироподібні граніти і ЗВ'ЯЗІІЬІ і ним і

м.і V

ипи 4 , н»

я>п і л»'*шні ч ними мігма-

г.аи; 5 - аифі&шги і яібро-ам4 и»і о і '>'- Сю т, ' «>„ члу; 7 зони роі>ииль

не ця Я іс>"ч іи гь

п і*,-

ог

-П РГТ^П ГГ'

1 _

V ;5

V >

113

графіки зміни щільності порід і гравітаційного поля по одній із

.ліній, що перетикає Первомайський розлом, а також геологічний

розріз по цій лінії. Графік зміни щільності отримано за результа-

тами спеціально проведених досліджень по цій лінії. У прикладі,

що розглядається, привертають увагу дві особливості: по-перше,

межі зони розущільнення не збігаються з межами літологічних

відмін порід; по-друге, зона розущільнення чітко не виявляється

на фоні гравітаційного уступу, що відповідає Первомайському

розлому.

Автор вивчив кілька десятків гравітаційних уступів, шо відпо-

відають розломам, які розділяють блоки земної кори з різною се-

редньою щільністю. На рис. 38, б

—

г наведено криві і К^ над

такими розломами. За кривими У^ чітко простежується внутріш-

ня щільнісна структура розломів. Часто розломи мають просту

структуру — між блоками, що дотикаються і мають ефективну

щільність сті і а

розміщується зона розущільнення ст^ст^сь (див.

рис. 38, б). Частіше розломи представлені чергуванням зон менш

щільних (ст_) і більш щільних (ст+). У цьому разі а <а,<а

а!<а+<а

(див. рис. 38, в). Залежно від рангів розломів ширина та-

ких зон змінюється від часток кілометра до декількох десятків

кілометрів. Зокрема, в межах Українського щита ширина деяких

зон досягає 30—40 км (див. рис. 38, г).

Досвід досліджень автора цієї праці свідчить про надзви-

чайну порушеність земної кори, за якої на розломи лише одні-

єї системи припадає не менш ніж 30 % площі. А оскільки в

межах усіх відомих нам щитів виявлено від 4 до 8 систем роз-

ломів, то загальна площа їх перевищує площу непорушених

частин земної кори. І хоча об'єми земної кори, зайняті розло-

мами, не можна ідентифікувати з об'ємами розущітьнення зем-

ної кори (див. рис. 38, в, г), наявність розломів може змінити

ефективну надлишкову щільність порід у верхній частині зем-

ної кори принаймні на декілька сотих часток грама на 1 см

Отже, ця зміна повинна враховуватись під час складання щі-

льнісної моделі земної кори.

Щільнісний розріз. Основним джерелом відомостей про щіль-

нісний розріз земної кори і верхньої мантії є швидкісні розрізи,

що отримуються в процесі проведення ГСЗ або сейсмологічних

досліджень. Щоб перетворити швидкісний розріз на щільнісний,

потрібно встановити взаємозв'язок між щільністю порід і ШВИДКІ-

СТЮ

поширення в них пружних хвиль. Оскільки прямого функці-

онального зв'язку між цими величинами немає, то користуються

статистичними залежностями між ними. Найчастіше взаємо-

114

••в'язок між тільністю порід а і швидкістю поширення в них

пружних хвиль

вважають лінійним:

ст = а + ЬУ

. (9)

Ця залежність вперше була зведена М.М. Пузирьовим і

Ф. Бе-рчем. Зокрема, Ф. Берч установив [253], що коефіцієнт а

«лежить від величини середньої маси породи, шо змінюється в

сновно.му в інтервалі 20,6—22,2, а коефіцієнт Ь — це константа,

що виражає відношення Лет і АУ

і визначається експерименталь-

но вимірюванням а і

ня зразках гірських порід.

Взаємозв'язок між щільністю порід і швидкістю поширення в

них пружних хвиль вивчали багато вітчизняних і закордонних до-

слідників. Досить детальне узагальнення отриманих даних вико-

нав С.С. Красовськяй [93]. Користуючись результатами цього

\загальнення, наведемо деякі важливі особливості взаємозв'язку,

ІДО розглядається.

1. З підвищенням тиску щільність порід так само, як і швид-

кість поширення в них пружних хвиль, збільшується, однак

бігьшеїшя щільності порід у відсотковому відношенні менше,

іж. збільшення швидкості. Числові значення збільшення щільно-

сті порід -за однакових тисків наведені з табл. 8.

Підвищення температури спричинює деяке зменшення обох

параметрів (а і У„). Так, у разі зростання температури до 100 °С

щільність порім зменшується всього на 0,2—0,3 %. а швидкість

поширення в них пружних хвиль — на 0,4—0,9 %.

2. На рис. 39 наведено кореляційну залежність а

—

Ж/

) ~

ІЯ

• і.'.них типів кристалічних порід консолідованої земної кори,

складену С.С Красовським [93] за даними аналізу 2180 визначень

за зразками гірських порід, відібраних різними дослідниками на

території Європи, Азії, Північної Америки, Південної Африки і

деяких островах Тихого океану. У цьому разі значення а взято за

тиску 0,1 МПа, а У

— за 400 МПа (Кюо)- Суцільною лінією на

рис. 39 зображено лінійну залежність а = 0,7269 + 0,3209 У

, а

стгриховою — складітішу грудково-лінійну залежність АВСОЕР (ЕО),

Таблиця 8. Зміна щільності порід з підвищенням тиску

Тиск, МІІа 100 400 1000

1500

Кількість визначень, шт.

Середнє збільшення

щільності", г/см

169

0,0131

251

0,0397

252

0,0601

234

0,0732

* Середнє збільшення щільності порід дано відносно и значення при 0,1 МПа.

115

Рис. 39. Кореляційна залежність між щільністю порід і швидкістю поширення в

них пружних хвиль:

—

еклогіти; 2

—

перидотити; З - піроксеніти; 4

—

габроїди, базальти; 5

—

матеосновні; 6

—

гаейси; 7

—

сланці;

Н —

амфіболіти; 9

—

грануліти; 10

—

чарнокіти; 11

—

лужні;

—

діорити; 13

—

гранодіорити;

—

граніти; 15

—

туфи

яка у верхній частині розділяється на дві гілки. Одна з гілок (ЕР)

відповідає ультраосновним породам, а друга (ЕО) — еклогітам.

3. Виходячи з доцільності визначення щільності порід за тих

самих тисків (на тих самих глибинах), за яких визначено швид-

кість поширення пружних хвиль, і враховуючи витриманість зна-

чень коефіцієнта Ь в кореляційних зв'язках, що розглядаються,

С.С. Красовський рекомендує обчислювати значення щільності

порід за регресіями, коефіцієнти яких наведено в табл. 9.

У цьому разі він оцінює точність обчислення О] значеннями

±0,05 ... 0,10 г/см

. Виходячи з даних, наведених на рис. 39, ця

оцінка явно завищена.

Наведені вище дані можна використати для вивчення речо-

винного складу і фізичного стану речовини глибинних зон земної

116

І її о її и

м н

'). К<м-фіцІ( >гік

(К'іреі іТ

п=](

У)

І II. К. МІ 1.1

400 1000

1500

)

0,7666

0,7212 0,6996

)

0,3209

м>І»и і иг|)хиі»оі мантії. Закономірності їхньої зміни є основою для

комплексної інтерпретації гравітаційних і сейсмічних спостере-

жень ч метою отримання вертикальних розрізів земної кори і вер-

хньої мантії. Проте сподіватися на отримання за їх допомогою аб-

іоіікшінх значень щільності з точністю, потрібною для скла-

вшим шільнісних розрізів, навряд чи можна. Назвемо, принайм-

ні, мін причини, що підтверджують це.

І Дисперсія відомих значень ст і

для різних порід (див.

рис 19) і с|тктично невідоме співвідношення їх у глибинних зонах

«гмної кори і верхньої мантії не дають змоги сподіватися на

отримання інлчснь а загалом із похибкою, меншою за 0,1 г/см

? Як і.і икічл іося вище, у верхній частині земної кори, про-

пившої системами розломів, щільність порід, які її складають,

помітно відрізняється від числових значень щільності порід,

отриманих визначенням на зразках. Є підстави очікувати справе-

дливості цієї закономірності в глибинних частинах земної кори і

верхній мантії.

За цих умов доцільно, не забуваючи про проблему вдоскона-

лення описаних вище закономірностей, зосередити увагу на

вивченні вертикальних градієнтів зміни щільності порід і їхнього

взаємозв'язку з градієнтом зміни швидкості поширення пружних

хвиль у межах земної кори і верхньої мантії. Переважне вивчення

градієнтів зміни щільності порід з глибиною зумовлено, по-

перше, їхньою сталістю, і, по-друге, вони мають істотне значення

в разі утворення вертикальних щііьнісних меж на межі блоків зе-

мної кори і верхньої мантії.

З цією метою можна скористатися пропозиціями В.Б. Бур'я-

нова, В.В Гордієнко і Н.І. Павленкової для визначення а =

= /(V.) [32, 141], прийнявши його у вигляді

-а

=6(К

рг

-- К

), (Ю)

значення щільності і швидкості на глибинах і, що

визначаються (за відповідних тисків); ст„ і У^,

де ст

і У

рг

сті і швидкості на поверхні фундаменту; Ь

ційності.

- значення щільно-

коефіцієнт пропор-

117

Продиференціювавши ліву і праву частини рівняння (10), діс-

танемо

= (11)

ді ді

Раніше було встаношіено середнє значення вертикального

градієнта наростання щільності земної кори в межах Східно-

Європейської платформи — 0,01 г/см

на 1 км заглиблення [75].

Рекомендованій нині тришаровій сейсмічній моделі земної кори

[91] можна поставити у відповідність її тришарову щільнісну мо-

дель. Якщо прийняти за значення Ь величину 0,32, то, користую-

чись характеристиками сейсмічної моделі [91], з виразу (11) мож-

на отримати градієнти наростання щільності в шарах цієї моделі:

у першому шарі — 0,010—0,016, у другому — близькі до нуля, в

третьому — 0,016—0,022 г/см

на 1 км заглиблення.

Зазначимо попутно, що за формулою (10) можна визначити

абсолютні значення щільності в глибинних частинах земної

кори (за відповідних тисків). Формула зручна тим, що два її

члени — ст

і У

Р0

можна визначити експериментально, безпосе-

редньо для району, що вивчається. У цьому разі, залежно від

вивченості, за ст

можна приймати середнє значення щільності

на поверхні фундаменту в межах блоків, шо вивчаються, різ-

ного порядку, або середнє її значення по регіону загалом, і

таким чином, деякою мірою враховувати особливості складу

порід регіону, що вивчається.

Стосовно характеристики закону наростання щільності порід

у верхній мантії зазначимо таке. К.Е.Буллен [28] наводить зна-

чення вертикального градієнта швидкості поширення поздовжніх

хвиль у верхній мантії 8-Ю"

г/(см

км). Мабуть, для оцінкових

розрахунків гравітаційного ефекту це значення можна заокругли-

ти до 0,001 г/(см

км).

Вертикальна відокремленість і природа щільнісних неоднорідно -

стей. У зв'язку з крихкістю земної кори будь-які зміни в потуж-

ності шарів, що її складають, відбуваються шляхом відносних

зміщень блоків по розломах. За допомогою гравірозвідки зде-

більшого досить певно встановлюється просторове розміщення

розломів, вздовж яких відбувалися субвертикальні зміїцення бло-

ків земної кори. А про те, що напрямки зміщення дуже близькі

до вертикальних, досить переконливо свідчать описані в п. 3.3

дані МТЗ.

Розглянемо роль вертикальних перемицень блоків земної ко-

ри по розломах в утворенні щільнісних меж. Розпочнемо з най-

118