Геологическое значение гравитационных и магнитных аномалий центральных и восточных районов Русской платформы
Н.В. НЕВОЛИН
Как установлено многими исследователями (Б.А. Андреев, А.Д. Архангельский, А.Т. Донабедов, Е.Н. Люстих, Н.Н. Михайлов, О.С. Миков, И.М. Пудовкин, С.И. Рынг, А.А. Строна, Н.Н. Черепанов, В.В. Федынский, Э.Э. Фотиади, Д.С. Халтурин, О.А. Шванк и др.), гравитационное поле Русской платформы обусловливается сочетанием накладывающихся друг на друга различных геологических факторов, которые в разных районах проявляются в разной степени. К ним относятся: 1) глубинный фактор, 2) структурные и петрографические особенности фундамента и 3) мощность и структура осадочного покрова.
В настоящей статье приводятся новые данные, подтверждающие влияние указанных факторов и некоторые новые выводы о соотношениях между гравитационными и магнитными аномалиями и строением земной коры.
Влияние глубинного фактора
Влияние глубинного фактора на региональный гравитационный фок Русской платформы доказывается следующими данными.
1. Характер изменения осредненной кривой силы тяжести (рис. 1) не зависит от особенностей строения верхних слоев земной коры, так как породы докембрия одной и той же петрографической и плотностной характеристики в разных районах отмечаются не одинаковыми значениями аномалий силы тяжести (редукция Буге).
Такие же соотношения наблюдаются и на Воронежском массиве, который не показан на рис. 1. Здесь при одном и том же петрографическом составе гранитов, постоянной их плотностной характеристике и практически постоянной величине влияния осадочной толщи наблюдается закономерное уменьшение аномалий силы тяжести с юго- востока на северо-запад, а именно: в Тамбове граниты с плотностью 2,54 отмечаются нулевыми значениями аномалий силы тяжести, а те же граниты с плотностью 2,56 в районе Тулы и Плавска выражены минимумами в минус 30 мгл.
2. Сопоставление гравитационного поля с картой новейших движений земной коры показывает, что региональные минимумы аномалий силы тяжести соответствуют областям с преимущественно восходящими движениями, а региональные гравитационные максимумы отвечают территориям, испытывающим преимущественно нисходящие движения. Например, дифференцированные преимущественно восходящие движения испытывает Балтийский щит. Неравномерное поднятие щита находит свое отражение в особенностях распределения силы тяжести: максимальные отрицательные значения соответствуют области максимальных новейших поднятий (Г.П. Горшков, 1947).
В течение четвертичного времени неравномерные колебательные движения с преобладанием положительной составляющей наблюдались на Воронежском массиве и в западной части. Токмовского поднятия, характеризующихся также региональной депрессией на кривой силы тяжести. И, наоборот, преобладающими нисходящими движениями характеризуются некоторые участки осевой зоны Московской впадины, выраженные повышенными положительными значениями аномалий силы тяжести.
Изложенное выше дает основание считать, что региональные аномалии Русской платформы тесно связаны с современными тектоническими движениями, обусловленными подкоровым распределением масс.
Поскольку глубинные подкоровые процессы определяют собой развитие крупных тектонических структур земной коры и изменение ее вещественного состава (образование прогибов и поднятий и концентрацию гранитных масс в пределах последних), постольку региональные гравитационные аномалии являются связанными с крупными структурными элементами фундамента платформы: крупным депрессионным участкам региональной кривой силы тяжести соответствуют крупные положительные структурно-морфологические элементы фундамента (Балтийский щит, Воронежский массив, Токмовский свод), характеризующиеся широким развитием гранитов пониженной плотности, тогда как крупным максимумам силы тяжести отвечают впадины докембрийского ложа (Московская синеклиза, Сокско-Кинельская впадина), где широко развиты гнейсы повышенной плотности.
Таким образом, региональные гравитационные минимумы и максимумы, обусловленные в основном подкоровым распределением масс, подчеркиваются и усиливаются особенностями строения земной коры, т.е. различной мощностью земной коры и не одинаковым вещественным составом ее.
Следует заметить, что этот вывод не является новым. Он был еще раньше сделан Н. Н. Черепановым и В.В. Федынским. Более подробно этот вопрос был изучен А.Д. Серовой и автором в 1953 г.
Влияние петрографического состава и структуры фундамента
На региональный гравитационный фон, обусловленный глубинными факторами, накладываются локальные аномалии силы тяжести, связанные с неоднородностью строения верхних слоев земной коры. При этом различная интенсивность местных аномалий обусловливается глубиной залегания фундамента и петрографическим составом осадочного комплекса и докембрийских образований; форма же и взаимная (сопряженность этих аномалий связаны со строением складчатого основания и осадочного покрова. Другими словами, проведенные исследования показывают, что локальные гравитационные аномалии Русской платформы, осложняющие региональный фон, в основном отражают: 1) складчатую структуру метаморфических образований докембрия, осложненную расколами, различной глубины заложения и различного направления, 2) кислые интрузии (массивы гранитов) и 3) крупные интрузии основных магматических пород. Однако в большинстве случаев основные интрузии, по-видимому, представлены в виде небольших тел и поэтому на гравитационном поле отражения не получают.
Указанная природа локальных гравитационных аномалий устанавливается на основании тесной связи между структурными и петрографическими особенностями пород фундамента и характером гравитационного поля, а также на основании наблюдаемых соотношений между гравитационными и магнитными аномалиями (рис. 1).
Имеющиеся данные о петрографическом составе и физических свойствах пород докембрия показывают, что интрузивные массивы гранитов, как тела c недостатком плотности по отношению к вмещающим их породам, всюду и вне зависимости от их гипсометрического положения отмечаются относительными гравитационными локальными минимумами. Например, на Балтийском щите отрицательными аномалиями силы тяжести выражены Выборгский массив гранитов рапакиви, а также Лужский массив микроклиновых гранитов, существование которого подтверждается данными скважин в Поповке и Сиверске.
Обширная область отрицательных значений аномалий силы тяжести в своде Воронежского массива также в значительной мере связана с гранитами, которые вскрыты скважинами в Тамбове, Туле, Плавске.
Великолукско-Валдайский и Калининский отрицательные гравитационные минимумы соответствуют по данным скважин (Невель, Крестцы, Редкино и Зубцово) массивам гранитов и гранито-гнейсов, протягивающихся в северо-восточном направлении.
Более высокими значениями аномалий силы тяжести отмечаются участки докембрия, сложенные плагиоклазовыми гранито-гнейсами и вскрытые скважинами в районах: 1) южного склона Балтийского щита (Поповка и Сиверская), 2) свода Токмовского поднятия, (Балахониха, Лыскова, Токмово), 3) Татарского свода, 4) Прудовской скважины.
Большие по величине положительные значения аномалий силы тяжести соответствуют биотито-гранато-силлиманито-кордиеритовым гнейсам, местами обогащенным габбро-норитами и амфиболитами, и чарнокитовым породам, характеризующимся повышенной плотностью. Действительно, повышенными положительными значениями аномалий силы тяжести выражены: 1) биотитовые и гранато-биотитовые гнейсы и мигматиты Беломорского блока Балтийского щита; 2) биотитовые гнейсы южного склона Балтийского щита, вскрытые скважинами в Дорохове и Ст. Руссе; 3) биотито-гранато-кордиерито-силлиманитовые гнейсы Московской синеклизы, вскрытые Боенской скважиной; 4) биотитово-силлиманитовые гнейсы Токмовского поднятия, вскрытые скважиной в Горьком; 5) биотито-гранато-силлиманитовые гнейсы Самаролукского поднятия, обнаруженные рядом пробуренных здесь скважин; 6) биотито-гранато-силлиманитовые гнейсы, слагающие отдельные участки Татарского свода.
Обращают на себя внимание полосовые максимумы аномалий силы тяжести. Эти максимумы чаще всего приурочены к осевым частям прогибов фундамента. Так, например, они наблюдаются в осевой части Московской синеклизы (Московско-Костромская и Сухонская аномалии), в Рязано-Саратовском прогибе (Можаро- Голяевская аномалия).
Судя по данным Боенской скважины, Московско-Костромская аномалия отражает зону биотито-гранато-силлиманитовых гнейсов, имеющую выдержанное северо-восточное простирание. Это позволяет предполагать, что полосовые гравитационные максимумы отражают собой складчатые зоны фундамента, представленные в виде блоков большой протяженности.
Что касается локальных интенсивных максимумов силы тяжести, то данные бурения показывают, что эти максимумы, по-видимому, соответствуют гнейсам, обогащенным габбро-норитами.
На основании установленных соотношений между значениями локальных аномалий и петрографическим составом фундамента можно считать, что большинство локальных минимумов в рассматриваемой части Русской платформы связано с гранитными интрузиями, а положительные аномалии отвечают гранито-гнейсам и гнейсам различного минералогического состава.
Влияние мощности осадочного комплекса
Осадочная толща представляет собой разнородный в плотностном отношении комплекс. В большинстве районов суммарный гравитационный эффект осадочного комплекса отрицательный вследствие меньшей средней плотности слагающих его пород по сравнению с докембрийскими. Поэтому влияние рыхлых осадочных пород на гравитационное поле обычно накладывается в виде отрицательного гравитационного фона.
Величина редукции за недостаток масс осадочных отложений по отношению к фундаменту находится в зависимости от литологического состава осадочного комплекса, от его мощности и, следовательно, от глубины залегания фундамента. При одной и той же плотности пород максимальные отрицательные значения аномалий силы тяжести, обусловленные влиянием осадочной толщи, относятся к погруженным участкам фундамента и наименьшие - к его поднятиям. Так, например, в Московской синеклизе отрицательные значения аномалий силы тяжести, обусловленные осадочным комплексом, достигают 20-22 мгл, а на Воронежском массиве они уменьшаются до 5- 6 мгл и менее.
Однако проведенные исследования показывают, что влияние мощности осадочной толщи сказывается лишь в понижении общего уровня значений аномалий силы тяжести, тогда как амплитуда колебаний значений аномалий силы тяжести между отдельными локальными аномалиями, а также их взаимная сопряженность обусловливаются не глубиной залегания фундамента и, следовательно, не мощностью осадочного покрова, а другими факторами.
Отсутствие видимой связи между локальными аномалиями и глубиной залегания фундамента (или мощностью осадочного комплекса), в частности, доказывается тем, что характер гравитационного поля изменяется независимо от отметок докембрия. Так, например, к осевым частям Московской впадины и Рязано-Саратовского прогиба приурочены как гравитационные максимумы, так и минимумы, а в сводах поднятий фундамента часто наблюдаются отрицательные аномалии.
Более сложны соотношения между структурой осадочной толщи и гравитационным полем. Имеющиеся данные о плотности пород показывают, что в пределах рассматриваемой территории геологический разрез осадочной толщи имеет ряд достаточно отчетливых плотностных границ раздела, которые при наличии резкого их изгиба могут вызывать вполне заметные локальные гравитационные аномалии. Однако, как известно, на Русской платформе большинство локальных структур характеризуется чрезвычайно пологими падениями слоев, не превышающими обычно 1°. Такие структуры, как показывают расчеты, создают весьма малое гравитационное поле (1-2 мгл), которое затушевывается более сильным влиянием петрографического состава фундамента. Подчеркнем, что это подтверждается не только специально проведенными расчетами, но также и отсутствием соответствия в расположении гравитационных аномалий и локальных структур. Действительно, сопоставление структур осадочной толщи с гравитационной картой показывает, что в одних случаях локальным структурам соответствуют гравитационные минимумы, а в других случаях максимумы.
Непосредственно на гравитационном поле, в виде гравитационной ступени, отражаются лишь резко выраженные флексуры в осадочной толще, если гравитационное влияние усиливается или по крайней мере не затушевывается влиянием структурных и петрографических особенностей фундамента. Например, Жигулевская гравитационная ступень обусловлена, в основном, флексурообразным изгибом плотностных границ раздела в осадочной толще (рис. 2).
Остальные гравитационные ступени, известные на сегодня в пределах рассматриваемой территории, также частично обусловлены флексурами в осадочной толще, но этот гравитационный эффект маскируется здесь петрографическими и структурными особенностями фундамента (рис. 3). Другими словами, в ряде случаев гравитационные ступени указывают на контакт докембрийских пород различной плотности и соответствуют расколам фундамента, выраженным в рельефе и находящим свое отражение в деформации осадочного покрова. Отсюда следует, что гравитационная съемка на Русской платформе имеет большое значение не только для выявления основных структур, но и для поисков структур второго порядка. Следует однако заметить, что разработка методики выделения на гравитационном поле аномалий, связанных со структурой осадочного покрова, продолжает оставаться одной из трудных и весьма актуальных проблем сегодняшнего дня.
Природа магнитных аномалий
Изучение магнитных свойств горных пород показало, что осадочные образования Русской платформы практически не магнитны и поэтому не могут служить причиной магнитных аномалий. Отсюда следует, что наблюдаемый магнитный эффект на карте Za может быть связан только со структурным и петрографическим характером фундамента и его глубиной залегания. Однако практика показывает, что в пределах рассматриваемой части Русской платформы при относительно небольших амплитудах колебания рельефа фундамента глубина залегания возмущающих масс имеет подчиненное значение и затушевывается другим более сильным фактором - влиянием петрографического состава пород докембрия, что подтверждается очень слабым изменением интенсивности магнитных аномалий от гипсометрии фундамента.
Вместе с тем доминирующее влияние петрографического состава пород фундамента и его структуры на магнитное поле устанавливается достаточно отчетливо.
Сопоставление магнитной карты с имеющимися данными по петрографическому составу пород фундамента свидетельствует, что слабо аномальные магнитные поля соответствуют участкам фундамента, сложенным гранитами, плагиоклазовыми гранито-гнейсами и биотито-гранато-силлиманитовыми гнейсами, обладающими слабо выраженными магнитными свойствами.
Слабо аномальные магнитные поля обычно рассекаются протяженными зонами повышенной напряженности или осложнены локальными магнитными максимумами, беспорядочно рассеянными по площади или расположенными цепочкой по прямой.
Локальные магнитные максимумы, по-видимому, связаны с интрузиями основных пород (габбро-диабазы), внедрившихся по расколам фундамента, и амфиболитами, что подтверждается следующими данными.
1. В большинстве случаев зоны магнитных максимумов следуют вдоль линии стыка различных систем аномалий силы тяжести и вдоль гравитационных ступеней. Такие соотношения между гравитационными и магнитными аномалиями, по-видимому, обусловлены тем, что гравитационные ступени и линии стыка различных систем гравитационных аномалий весьма часто отражают тектонические границы между блоками фундамента и зоны контактов гранитных интрузий с суперкрустальными образованиями. К этим границам и приурочены часто магнитные максимумы, связанные с магматическими породами основного ряда.
2. Скважинами, пробуренными в пределах некоторых магнитных максимумов, вскрыты габбро-диабазы и амфиболиты.
Вопрос о характере влияния габбро-норитов на магнитное поле остается пока открытым. На отдельных участках (район Черемшанского гравитационного максимума Татарского свода и др.) габбро-норитовые массивы, отмечаясь гравитационными максимумами, на магнитной карте не находят своего отражения, т. е. выражены нулевыми или отрицательными значениями.
В ряде районов Русской платформы прослеживаются линейные магнитные аномалии, представляющие собой непрерывные полосы повышенных и пониженных значений Za, на общем фоне которых иногда выделяются весьма интенсивные локальные максимумы. Этот вид аномалий обычно приурочен к прогибам фундамента. Так, полосовые аномалии наблюдаются в пределах Рязано-Саратовского прогиба и Московской впадины (Валдайская мульда). Природа этих аномалий еще не совсем ясна. Судя по их линейному характеру, можно предполагать, что они связаны с основными и ультраосновными породами, образующими пояса вдоль глубинных разломов в докембрии, которые ограничивают собой положительные структурно-морфологические элементы фундамента.
Особняком стоит Курская магнитная аномалия и подобные ей аномалии Криворожья, на описании которых мы останавливаться не будем.
Все изложенное выше позволяет следующим образом сформулировать основные выводы о природе гравитационных и магнитных аномалий центральных и восточных районов Русской платформы.
Гравитационные аномалии Русской платформы разделяются на два основных генетических типа: 1) аномалии, обусловленные глубинными факторами, и 2) аномалии, связанные со строением верхних слоев земной коры.
Первый тип представляет собой аномалии регионального характера. Они не зависят от строения и физических свойств пород осадочной толщи и фундамента, охватывают большие площади и характеризуются постепенным изменением значений аномалий силы тяжести в том или ином направлении.
Второй тип аномалий можно подразделить на два вида: зональные и локальные аномалии.
Зональные аномалии представляют собой систему отдельных аномалий с общими признаками: одинаковое простирание локальных аномалий, особенности их взаимного сопряжения, степень напряженности и т.д. Они обычно охватывают большие регионы и характеризуют крупные структуры земной коры. В одних случаях эти аномалии соответствуют структурно-морфологическим элементам фундамента первого порядка, в других - они лишь отвечают крупным участкам этих элементов. Так, например, Беломорская зональная аномалия, характеризующаяся северо-западным простиранием и исключительно положительными значениями силы тяжести, соответствует лишь крупному участку Балтийского щита (Беломорскому блоку); Рязано-Саратовская зональная аномалия, имеющая северо-западное простирание и линейный характер локальных аномалий, охватывает одноименный прогиб в целом и т. д.
К локальным аномалиям относятся незначительные по площади аномалии, представляющие собой отдельные элементы или составные части зональных аномалий. По своему внешнему виду или морфологии локальные аномалии разделяются на линейные и изометрические.
Локальные аномалии отражают различные участки или блоки фундамента, сложенные суперкрустальными образованиями различного петрографического состава, и интрузивные образования.
Магнитные аномалии могут быть разделены на три крупных типа: 1) магнитные аномалии, связанные со слабо магнитными метаморфическими породами и кислыми интрузиями, 2) магнитные аномалии, отражающие преимущественно основные магматические породы, и 3) магнитные аномалии, соответствующие железорудным образованиям. Последние в этой статье не рассматриваются.
Первый тип аномалии в большинстве случаев характеризуется значениями Za от 0 до 4-200 γ. Аномалии этого типа имеют преимущественно площадный характер распространения.
Второй тип магнитных аномалий можно подразделить на три вида: а) локальные максимумы, прослеживающиеся по прямой линии в том или ином направлении; эти аномалии связаны с основными интрузиями, внедрившимися по расколам фундамента; б) локальные магнитные максимумы, рассеянные беспорядочно по площади; эти аномалии отвечают участкам фундамента, обогащенным амфиболитами, и, возможно, местами гнездам железорудных скоплений; в) полосовые или линейные магнитные максимумы, возможно, обусловленные покровными излияниями основных магматических пород.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев Б.А. О геологическом значении гравитационной карты Карелии, Финляндии и Ленинградской области. Матер. ЦНИГРИ, сб. 7. ОНТИ, 1938.
2. Горшков Г.П. О сейсмичности восточной части Балтийского щита. Тр. Сейсмогеологического института, сб. статей № 119. Изд. АН СССР, 1947.
3. Донабедов А.Т., Мещеряков Ю.М. О соотношениях между локальными антиклинальными структурами и аномалиями силы тяжести в пределах Русской платформы. ДАН СССР, нов. сер., т. XXIX, вып. 3, 1951.
4. Люстих Е.Н. Количественная интерпретация некоторых гравитационных аномалий Русской платформы. Прикладная геофизика, вып. 6. Гостоптехиздат, 1950.
5. Николаев Н.И. Новейшая тектоника СССР. Изд. АН СССР, 1949.
6. Федынский В.В. Гравитационная характеристика предгорных и межгорных впадин в геосинклиналях. Сб. «Памяти акад. А. А. Архангельского». Изд. АН СССР, 1951.
7. Фотиади Э.Э. К проблеме геологической интерпретации аномалий силы тяжести на Русской платформе. Прикладная геофизика, вып. 12. Гостоптехиздат, 1955.
8. Шванк О.А. О природе гравитационных аномалий в Саратовском Поволжье. Прикладная геофизика, вып. 12. Гостоптехиздат, 1955.
Рис. 1. Схематический геолого-геофизический профиль через Русскую платформу по линии Камское Устье-Сиверский. (Сост. Н.В. Неволин.)
1-гнейсы и мигматиты; 2- граниты и гнейсо-граниты; 3-осадочный комплекс; 4-предполагаемые разломы; 5-наблюденная кривая Δg в редукции Буге; 6-наблюденная кривая Zа; 7 - осредненная кривая Δg; σ-плотность пород.
Рис. 2. Гравиметрический профиль по линии АБ. (Сост. А.Б. Галактионов.)
1- наблюденная кривая Δg; расчетные кривые Δg: I-влияние границы раздела между фундаментом и осадочной толщей; II- влияние границы раздела между нижним и верхним карбоном; III- влияние границы раздела между палеозоем и мезозоем; IV-суммарное влияние осадочной толщи; σ - плотность пород.
Рис. 3. Гравиметрический профиль по линии ДЕ. (Сост. А.Б. Галактионов.)
1-наблюденная кривая Δg; расчетные кривые Δg: I-влияние границы раздела между фундаментом и осадочной толщей; II-влияние границы раздела между нижним и средним карбоном; III-влияние границы раздела между верхним карбоном и пермью; IV-суммарное влияние осадочной толщи.