4544-1 (Глубинное строение Южной Камчатки по геофизическим данным)

Глубинное строение Южной Камчатки по геофизическим данным

Ю.Ф.Мороз, Л.И.Гонтовая

Приводятся результаты геофизических исследований, выполненных на Южной Камчатке. Выявлены особенности глубинного строения земной коры и верхней мантии до глубины 90 км. Установлена четкая корреляция скоростных структур суши и акватории шельфовой зоны Тихого океана. Создана комплексная геолого-геофизическая модель Авачинского вулкана. Рассмотрены возможные геодинамические процессы, протекающие в земной коре в настоящее время. Даны рекомендации для бурения глубокой скважины в районе Авачинского грабена с целью поисков геотермального месторождения.

Представления о глубинном строении Камчатки последовательно развиваются по мере накопления геолого-геофизических данных. В последние годы в пределах Южной Камчатки выполнен значительный объем исследований методами сейсмологии и магнитотеллурического зондирования. Полученные данные дают возможность в значительной мере уточнить глубинное строение данного района в целом, а также Авачинско-Корякской группы вулканов в частности. Этой проблеме и посвящена настоящая статья.

1. Глубинная геофизическая модель литосферы Южной Камчатки

Результаты предшествующих геофизических исследований методами гравиметрии, сейсмометрии и магнитотеллурических зондирований обобщены и представлены в виде разреза земной коры и верхней мантии вдоль геотраверса I-I, пересекающего сушу и прилегающую акваторию Авачинского залива (рис.1). Исследуемый район полуострова характеризуется сложным геологическим строением [7,33,34]. Здесь в отличие от всей его территории, где преобладает линейная зональность тектонических сооружений северо-восточного простирания, развиты также структуры северо-западной поперечной ориентировки (рис.2). В этой части Южной Камчатки выведены на поверхность наиболее древние метаморфические породы, с которыми связывается консолидированный фундамент, подстилающий осадочно-вулканогенный чехол. Восточный вулканический пояс в районе геотраверса представлен Авачинско-Корякской группой вулканов.

Основные особенности глубинного строения Камчатки обусловлены близостью к сейсмофокальной зоне (СФЗ). Ширина этой зоны на поверхности составляет около 200 км. Линия максимальной сейсмичности проходит по восточным полуостровам и заливам и приурочена к глубинам 0-40 км. Проекциям вулканов на СФЗ отвечает область с резким уменьшением числа землетрясений. Для Авачинско-Корякской группы вулканов эти глубины составляют около 100 км. Предполагается, что особенности вулканизма обусловлены процессами, происходящими в сейсмофокальном слое или его верхней части [29].

Существующие представления о характере изменения сейсмических скоростей Vp в верхней мантии основаны на данных сейсмологических наблюдений [3,4,22,28]. Упругие параметры под Камчаткой изменяются сложным образом, однако в среднем они относительно низкие и в самой верхней части составляют около 7,8 км/с (рис.1). Их значения увеличиваются в сторону океана и северо-западной половины полуострова. Низкоскоростная зона в районе современного вулканизма приподнята до глубины не менее 50 км. По-видимому, скоростные аномалии в верхней мантии отражают процессы, протекающие в зоне субдукции. В районах современного вулканизма нижняя часть коры и верхней мантии характеризуется пониженной скоростью и повышенным затуханием сейсмических волн [22,28,31,32].

По данным магнитотеллурических зондирований установлено, что земная кора содержит слой повышенной электропроводности на глубинах 10-40 км [14]. Этот слой развит под средней частью полуострова и вытянут вдоль Камчатки на расстояние свыше 1000 км. Он приурочен к внутренней вулканической дуге. Здесь слой приближается к дневной поверхности до глубины 8-10 км, а его электропроводность максимальна. Под современными вулканами выделяются локальные аномалии повышенной электропроводности. Верхняя часть коры восточного побережья характеризуется повышенным электрическим сопротивлением. Не исключено, что средняя часть коры также содержит слой пониженного сопротивления. Однако проводимость этого слоя на порядок меньше, чем под Центральной частью Камчатки [14,17].

В верхней мантии выявлен слой пониженного электрического сопротивления. Кровля слоя с глубины 100 км на Западной Камчатке поднимается до 50 км под зоной современного вулканизма. При этом электрическое сопротивление слоя уменьшается до первых единиц Ом^. м. В сторону Тихого океана проводимость верхнемантийного слоя существенно убывает. Поверхность этого слоя, по-видимому, близка к изотерме 1200⁰С и представляет собой границу, ниже которой возможно частичное плавление вещества. Данная граница была принята опорной при расчете геотермического разреза с помощью кривых распределения температур для миогеосинклинальной и эвгеосинклинальной зон [23].

Как следует из геотермического разреза, проводящие зоны в земной коре приурочены к интервалу геоизотерм 400-800⁰ (рис.1). Известно, что породы земной коры при таких температурах имеют электрическое сопротивление сотни-тысячи Ом^. м. Поэтому природу проводящих зон в земной коре Камчатки сопротивлением в первые десятки-единицы Ом^. м можно связать с наличием жидких флюидов и электропроводящих сульфидных образований.

Приведенные данные свидетельствуют об очень сложном строении литосферы Камчатки и необходимости более детального изучения глубинных неоднородностей.

Модель электропроводности земной коры

В последние годы на Южной Камчатке выполнены наблюдения МТЗ по двум региональным профилям, которые дают возможность в значительной мере уточнить и дополнить существующие представления о структуре электропроводности земной коры. Методика интерпретации и анализ результатов данных МТЗ подробно изложены в работе [17]. Полученные результаты приведены на рис.3. Они сводятся к следующему.

Геоэлектрическая модель содержит коровый проводящий слой, хорошо развитый на большей части площади, за исключением восточного побережья, где он почти отсутствует. Сопротивление слоя от 5-10 Ом^.м на западе увеличивается до 80 Ом^. м в центральной части профиля, при этом его мощность уменьшается до 15 км. Далее к востоку, в районе Авачинско-Корякской группы вулканов, происходит уменьшение сопротивления коры до 15 Ом^. м на глубине 8-35 км. Здесь из-за сильного эффекта S (узкая проводящая зона в осадочно-вулканогенном чехле) параметры корового проводника определяются неоднозначно. Восточнее по профилю сопротивление корового слоя возрастает до 200 Ом^. м, мощность составляет 25 км.

Относительно природы корового проводящего слоя можно отметить следующее. Электрическое сопротивление верхних частей консолидированной коры 1000-2000 Ом^. м. При нормальном распределении глубинной электропроводности нижние толщи земной коры имеют удельное сопротивление не менее 500 Ом^. м [5,14], поэтому природу проводящего слоя в земной коре Южной Камчатки сопротивлением в десятки-единицы ом на метр можно объяснить наличием жидких флюидов. Грубые оценки показывают, что достаточно десятых долей процента относительно объема флюидов в связанных каналах, чтобы обеспечить уменьшение сопротивления горной породы до десятков - единиц ом на метр. Можно предполагать, что на большей части площади коровый проводящий слой связан с наличием высокоминерализованных гидротермальных растворов. В зоне V (рис.3), где располагается Авачинско-Корякская группа вулканов, коровый проводник может быть обусловлен наличием магматических расплавов. В восточной части профиля отсутствует низкоомный коровый проводник; здесь же отмечена интенсивная положительная аномалия поля силы тяжести.

По данным электропроводности можно оценить пористость и проницаемость пород земной коры Южной Камчатки. Для этого воспользуемся данными работ [5,6]. Согласно закону Арчи

= _ф /k²

где - удельное сопротивление влажной породы, _ф - удельное электрическое сопротивление флюида; k - пористость. При = 2000 Ом^. м значение _ф = 0,3 Ом^. м, пористость верхних частей земной коры до глубины 10 км равна 0,8%. Эта величина близка к данным по северо-западу США, полученным Л.Л.Ваньяном. О проницаемости верхних частей консолидированной земной коры можно судить по зависимости удельного сопротивления влажных пород от их проницаемости [36]. При сопротивлении коры в 1400 Ом^. м проницаемость ее ~10^-21 - 10^-22 м². При такой проницаемости время проникновения флюида из корового слоя в верхние горизонты земной коры будет ~ 50 млн.лет. Возраст вулканизма Авачинско-Корякской группы вулканов составляет первые миллионы лет. По-видимому, более быстрое проникновение флюидов в верхние горизонты коры в данном районе определяется наличием глубинных разломов. Уже указано, что в зоне V электропроводность коры между осадочно-вулканогенным чехлом, заполняющим грабен, и коровым слоем определяется крайне неоднозначно. Не исключается, что здесь существует вертикальный проводник, обусловленный глубинными разломами, по которым магматические расплавы поступают на поверхность. Возможно, с этими разломами связана современная вулканическая деятельность Авачинско-Корякской группы вулканов.

Объемная скоростная модель

Несмотря на значительный объем сейсмической информации, в настоящее время практически отсутствует скоростная модель Камчатки, включающая области омывающих ее акваторий. Сейсмические наблюдения ГСЗ-КМПВ выполнены в наземной части полуострова с использованием методики кусочно-непрерывного профилирования с большими пропусками в наблюдениях [2,8,9 и др.]. Они были сосредоточены, в основном, в районах Авачинско-Корякской и Ключевской групп вулканов, т.е. территория Камчатки в целом слабо изучена этими методами. Кроме того, длина сейсмических профилей не позволила выполнить корректные оценки скоростных параметров по поверхности Мохоровичича (М). По этой причине остается открытым вопрос о мощности коры под Камчаткой и сейсмических характеристиках зоны перехода кора-мантия. Более длинные ветви годографов получены по наземно-морскому профилю, пересекающему Авачинский залив [8,27 и др.], однако полученные результаты по ряду причин (в основном, редкой сети наблюдений) также крайне противоречивы [1]. Кроме того, следует отметить большие сложности в выполнении сейсмических наблюдений за сигналами от взрывов и необходимость огромных финансовых вложений, что практически делает невозможным их осуществление в настоящее время. Вместе с тем на Камчатке существует детальная сеть сейсмологических станций, которые регистрируют тысячи землетрясений, просвечивающих земную кору и верхнюю мантию под полуостровом и прилегающими акваториями. Эти данные также мало использованы для оценок скоростных параметров. Это, безусловно, было связано со значительными ошибками в определении координат гипоцентров землетрясений и отсутствием вычислительного аппарата для решения обратной трехмерной задачи. Видимо, по этой причине существуют лишь единичные работы, благодаря которым получены первые схемы распределения скорости Vp под Камчаткой и акваториями, а также в области пересечения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг [3,22,28]. Эти работы продемонстрировали четкую корреляцию скоростных аномалий с глубинной тектоникой региона и подтвердили перспективность развития данного направления на Камчатке.

Здесь приведены результаты томографического восстановления объемной скоростной модели земной коры и верхней мантии Камчатки в ее южной части. Для этого использовались времена вступлений P-волн от близких землетрясений, которые, в основном, сосредоточены в сейсмофокальном слое. Они взяты из инструментального каталога землетрясений Камчатки (в окончательной обработке) за период 1992-1998 гг., составленный Камчатской опытно-методической сейсмологической партией (КОМСП) ГС РАН. Количество зарегистрированных событий в каталоге ~ 13000, сейсмических лучей, просвечивающих кору и мантию от гипоцентров до станций, ~ 100000. Однако объем использованной информации был значительно ограничен точностью входных данных, которая в общем достаточно низкая. Причина и области ошибок детально проанализированы в [30]. Для расчетов были выбраны землетрясения, точность определения времени в очаге для которых не достигала 0,4 сек, точность определения координат эпицентров не превышала по горизонтали +20 км и по вертикали - +10 км. Также накладывались ограничения по энергетическому классу (К> 11), четкости вступления P и S волн, числу станций, участвующих в определении гипоцентров, Т₀ и др. В обработку принимались события с глубиной, не превышающей 45 км. В связи с этим глубина проникновения сейсмических лучей для выбранных событий не превышала 90 км. Эта цифра ограничивает скоростную модель по глубине. Исходя из перечисленных выше ограничений, из каталога было выбрано только 1400 землетрясений. На основе анализа осредненных наблюденных годографов для выбранных событий выполнена оценка средней мощности земной коры под Камчаткой и весь объем литосферы разбит на три слоя:

 0-20 км (верхняя кора), средняя скорость в слое 5,5 км/c;