Главная – Журналы – Геология и геофизика 2015 номер 7

Рассматривается фундаментальная проблема влияния внеземных факторов на процессы геолого-тектонической эволюции Земли. Внеземные факторы были определяющими в процессах зарождения Земли, образования первой гаденской континентальной коры и начала архейской эры. Существенное влияние их продолжалось и позднее. Даже в фанерозое внеземные факторы могли оказывать существенное влияние на окружающую среду. Процессы образования сиалических ядер протоконтинентальной коры (4.4-3.9 млрд лет) с зеленокаменными областями первой генерации (3.8-3.2 млрд лет) и мировой системы гранит-зеленокаменных поясов (3.1-2.7 млрд лет) осуществлялись в ротационно-плюмовом режиме, главным образом в субэкваториальном «горячем поясе» Земли. Формирование этих глобальных структур Земли происходило во многом под влиянием астероидных ударов, вызывающих импакт-триггерное зарождение мантийных плюмов. Большие перемены в последующей геологической истории Земли начались в период 2.7-2.0 млрд лет, которые завершились в 2.0 млрд лет назад переходом Луны на орбиту, близкую к современной (50 ± 3 радиуса Земли), сопровождающимся резким замедлением скорости осевого вращения Земли, окончательным формированием переходного между ядром и мантией слоя D″ и началом современного стиля тектоники плит, сопровождающейся тектоникой плюмов.

Рассмотрены особенности эволюции Земли и геологических процессов в течение хадея и архея на основании имеющейся информации из области космофизики и сравнительной планетологии; изотопной геохронологии, геологии и петрологии пород архейских зеленокаменных поясов (ЗКП) и тоналит-трондьемит-гранодиоритовых (ТТГ) комплексов, а также геодинамических моделей с целью анализа роли плейт- и плюм-тектонических и импактных процессов. Сходство возрастных пиков хадейско-эоархейских цирконов на Земле с событиями поздней тяжелой бомбардировки на Луне, а также судя по изотопному Hf составу, преимущественно мафические источники этих цирконов предполагают существенную роль импактных процессов во временном интервале 4.4-3.8 млрд лет. Появление пород сиалической коры, представленной породами ТТГ комплексов, относится к рубежу 4.2 млрд лет (гнейсы комплекса Акоста), тогда как масштабный ее рециклинг фиксируется в изотопных Hf характеристиках цирконов после 3.75 млрд лет. Анализ породных ассоциаций и их геохимических характеристик показывает, что формирование архейских зеленокаменных поясов было связано с обстановками рифтинга и спрединга, субдукции и мантийно-плюмовыми, в ключевых чертах сходных с современными. Специфика архейского периода проявлена в более широком развитии мантийно-плюмовых (коматиит-базальтовых) ассоциаций, субдукционных производных бонинитовых и адакитовых серий, кратковременности и быстрой смене режимов субдукции, что выражается в перемежаемости типичных известково-щелочных андезит-дацит-риолитовых и адакитовых ассоциаций, которые вызваны более «горячей» мантией, обусловливающей высокотурбулентный режим конвекции и нестационарность субдукции. Это позволяет рассматривать архейский период как переходный, отвечающий тектонике малых плит.

На основании оригинальных данных по составу осадков и сейсмических разрезов с привлечением литературных сведений дана характеристика рельефа дна и выявлены основные черты строения верхней, 10-100-метровой осадочной толщи в Юго-Западной Атлантике (Бразильская котловина). Подтверждено наличие сильного потока Антарктической донной воды (АДВ) на север и ее активная эрозионная деятельность. АДВ размывали или переоткладывали ранее (в голоцене и плейстоцене) накопившиеся в Бразильской котловине красные глубоководные (КГГ) и гемипелагические глины: в глинах много переотложенных плейстоценовых диатомей, неогеновых и палеогеновых дискоастеров. В большинстве колонок осадков в Бразильской котловине КГГ являются плейстоценовыми. У подножия материкового склона Южной Америки в осадках обнаружены контуриты и прослои песков. Это результат воздействия на дно глубинного западного пограничного течения (ГЗПТ, DWBC). АДВ переносят антарктические виды диатомей вдоль континентального склона Южной Америки до 10°-5° ю.ш. Подтверждено наличие в западной пелагической экваториальной части Атлантики Экваториального срединно-океанического канала (ЭСОК) с относительной глубиной до 149 м, обнаружены новые подобные каналы В (Вавилов) и АИ (Академик Иоффе). По каналу ЭСОК АДВ текут на север. Канал АИ, очевидно, не является собственно срединно-океаническим. На 20° ю.ш. (глубина 5000 м) обнаружены плейстоценовые этмодискосовые ( Ethmodiscus rex ) илы, содержащие до 74 % аморфного SiO ₂. На Амазонском профиле А-САХ (Амазонка - Срединно-Океанический хребет) АДВ перетекают в Гвианскую котловину только по одной долинке равнины Нара с глубиной 4620 м. В районе возвышенности Сеара, а также на конусе выносов Амазонки геологических следов перетока АДВ в Гвианскую котловину не обнаружено. В районе возвышенности Рио Гранди АДВ, предположительно, появилась в эоцене. В это время стал образовываться и канал Вима, отделяющий возвышенность Рио Гранди от материка Южной Америки. Потоки АДВ были максимальными во времена, предшествовавшие сильнейшим эпохам оледенения (особенно в изотопные стадии 7/6 и 3/2).

Исследованы обнаруженные в районе оз. Барчи в элювиальных отложениях обломки высокоглиноземистых гранат-кианит-слюдяных сланцев и гранат-кианит-кварцевых гранофельсов, в том числе алмазоносных. По содержанию главных элементов изученные породы отвечают глинистым сланцам. Гранат-кианит-кварцевые гранофельсы содержат значительно меньше калия (0.49-1.35 мас. % К ₂О) по сравнению с гранат-кианит-слюдяными сланцами (4.9-2.2 мас. % К ₂О), по остальным главным компонентам значительных различий не наблюдается. Большинство гранат-кианит-фенгитовых сланцев имеет характер распределения РЗЭ, близкий к постархейскому австралийскому сланцу PAAS ( _{La/ Yb} = 13). Все гранат-кианит-кварцевые породы значительно сильнее деплетированы легкими РЗЭ ( _{La/ Yb} = 1.4) и другими некогерентными элементами. Проведенные нами исследования показывают, что в гранат-кианит-фенгитовых породах участка Барчинский основным концентратором легких редких земель и тория являются алланит и монацит. Последний, встречающийся в виде включения в гранате, помимо легких редких земель содержит торий, уран и свинец. Рутил из недеплетированных пород в значительных количествах содержит только примеси железа и ниобия. В гранат-кианит-кварцевых гранофельсах в качестве акцессорных фаз присутствуют рутил, апатит и ксенотим. Рутил деплетированных пород характеризуется большими вариациями примеси ниобия, тантала и ванадия. В отдельных участках содержание ниобия достигает 10.5 мас. %, а тантала 2.3 мас. %. Наблюдается распад рутила на рутил, включающий примеси ниобия (1.4 мас. %) и железа (0.87 мас. %), и оксид титана с высоким количеством примесей железа (6.61 мас. %), ниобия (до 20.8 мас. % Nb ₂O ₅) и тантала (до 2.81 мас. % Ta ₂O ₅). На основании определения содержаний некогерентных элементов в различной степени деплетированных высокоглиноземистых пород установлен следующий ряд подвижности элементов при метаморфизме сверхвысоких давлений: Th > Ce > La > Pr > Nd > K > Ba > Rb > Cs > Sm > Eu. Содержание таких элементов, как U, P, Zr, в деплетированных породах аналогично недеплетированным. Исследования показали, что метапелиты, субдуцированные на глубины, отвечающие условиям стабильности алмаза, могут быть деплетированы в разной степени, что предполагает либо их эксгумацию с разных уровней зоны субдукции, либо зависят от присутствия внешнего источника воды, которая определяет температуру растворения фенгита и образование суперкритического флюида/расплава.

Представлены результаты детальных изотопно-геохронологических (U-Pb метод, SHRIMP-II) и геохимических (метод LA-ICP-MS) исследований коллекции цирконов из разнотипных пород Березовского полигенного мафит-ультрамафитового массива, входящего в состав Восточно-Сахалинской офиолитовой ассоциации. Массив включает три тесно сближенных, разновозрастных и генетически автономных структурно-вещественных комплекса: протрузию реститогенных ультрамафитов, прорывающий ее габброидный интрузив и расположенную вдоль их границ контактово-реакционную зону. Значения изотопного возраста цирконов в массиве в целом и в отдельных образцах пород варьируют в очень широких пределах. Цирконы разделены на несколько гетерогенных и отличающихся по возрасту и другим признакам популяций (млн лет): реликтовые и ксеногенные (~3100-990, ~770-410, ~395-210), сингенетичные (~200-100, ~90-65, ~30-20). Зерна циркона отличаются по размерам и морфологии, по изображениям в оптическом и катодолюминесцентном режимах, а также по характеру распределения элементов-примесей. По морфологическим признакам зерен цирконы разделены на короткопризматические кристаллы с хорошо развитыми гранями и ребрами; длиннопризматические кристаллы с хорошо развитыми гранями и ребрами; призматические кристаллы со слаборезорбированными гранями и ребрами; призматические кристаллы с сильнорезорбированными гранями и ребрами; интенсивно резорбированные зерна, полностью или почти полностью лишенные кристаллографической огранки. Между значениями возраста цирконов и содержаниям La, Ce, Yb, суммарными содержаниями РЗЭ, а также значениями параметров (Ce/Ce*) _n и (Eu/Eu*) _n в цирконах наблюдается обратная зависимость. Некоторые зерна имеют аномальные по конфигурации спектры распределения редкоземельных и других элементов-примесей, что обусловлено их эпигенетическим перераспределением. Значительный разброс «промежуточных» значений возраста реликтовых и ксеногенных зерен циркона, их резорбирование, а также нарушения оптических и геохимических характеристик, как предполагается, обусловлены неравномерным «омоложением» их изотопных систем и изменениями других параметров под влиянием более позднего мафитового расплава и его флюидов, при кристаллизации которого был сформирован габброидный интрузив, возраст которого составил порядка 170-150 млн лет. Полученные данные об изотопном возрасте и других свойствах цирконов из пород Березовского массива согласуются с геологической моделью его полигенного формирования.

С применением современных инструментальных аналитических методов (Фурье ИК-спектроскопии, газовой хроматографии, масс-спектрометрии и др.) изучены продукты термической деструкции керогена из нижнесреднекембрийского горючего сланца. Установлено, что важные вклады в геополимерную керогеновую матрицу вносят фрагменты, наследуемые керогеном от синтезированных организмами липидных молекул, в том числе алифатических жирных кислот, бывших свободными или связанными в сложные эфиры с глицерином, т.е. в животные или растительные жиры. Показана важная роль растительных пигментов - каротинов и ксантофиллов в формировании моноциклических структур в керогене, включая молекулярные фрагменты алкилбензольного, алкилфенольного и фенилалканового строения. Значительная распространенность сложных эфиров в составе изученного керогена указывает на целесообразность применения щелочного гидролитического расщепления макромолекул керогена (омыления эфиров) до проведения их термической деструкции, неизбежно сопровождающейся искажениями первоначальной - нативной - природы молекулярных скелетов.

Приведены результаты экспериментальных измерений в диапазоне частот 10 кГц - 1 ГГц при температурах 25-65 °С диэлектрической проницаемости и эквивалентной удельной проводимости песчано-глинистых образцов, состоящих из смеси речного песка с бентонитом или каолином, насыщаемых эмульсиями солевой раствор-дизтопливо. Показано, что при содержании солевого раствора в насыщающем флюиде не выше 10 % диэлектрическая проницаемость в диапазоне частот 1 МГц - 1 ГГц мало зависит от минерального состава образца и концентрации насыщающего раствора. При доле воды 33.3 % и выше увеличение концентрации солевого раствора приводит к увеличению как эквивалентной удельной проводимости, так и действительной части КДП. С помощью рефракционной модели КДП определены диэлектрические свойства связанной воды, которые зависят от температуры и вида глины (бентонита или каолина) в составе песчано-глинистой смеси, но не зависят от водонасыщенности и количества глины в образце.

Рассматриваются возможные подходы к долгосрочному прогнозу сейсмической опасности в связи с практической потребностью обоснования безопасности геологической изоляции долгоживущих радиоактивных отходов. Необходимый период прогноза существенно превышает тот, который отражен в комплекте карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации (ОСР-97). Первое в РФ геологическое хранилище планируется создать в Нижнеканском гранитном массиве в Красноярском крае. Этот район является внутриплитной территорией и при этом отличается сравнительно высокой сейсмичностью. Статья суммирует анализ известных эмпирических обобщений и теоретических положений, лежащих в основе прогноза сейсмической опасности. Реальные сейсмические события постоянно нарушают прогнозные оценки даже на сравнительно коротких отрезках времени. Эти и другие аргументы свидетельствуют о том, что гипотеза о стационарности сейсмического режима, являющаяся сегодня основой долгосрочного прогноза, имеет ограниченную и неопределенную во времени применимость. Прогноз внутриплитных землетрясений особенно неопределенен из-за неясности причин, формирующих тектонические напряжения в таких районах. Короткий горизонт прогноза, основанного на статистических методах, можно связать с нелинейностью сейсмогеодинамических процессов. В качестве научной основы долгосрочного прогноза сейсмической опасности в районах, выбранных для геологических хранилищ долгоживущих радиоактивных отходов, предлагается использовать фундаментальные закономерности геотектонических процессов. Эти процессы можно отразить в моделях миграции сейсмоактивных границ литосферных плит и возникновения сейсмической активности во внутриплитных областях.

Представлена численная модель для учета влияния приповерхностных неоднородностей над одномерным горизонтально-слоистым геоэлектрическим разрезом и анализа вызываемых ими искажений при магнитотеллурическом зондировании (МТЗ). Для расчета электромагнитного поля внутри слоя приповерхностных неоднородностей используется метод Треффца. Выведены выражения для граничных условий на дневной поверхности и на кровле подстилающей неоднородности горизонтально-слоистой среды. Эти граничные условия учитывают возбуждение приповерхностными неоднородностями полей ТМ-моды и проникновение их в атмосферу и подстилающую среду. Изучено пространственное распределение и характеристики гальванических и индукционных искажений на разных временных периодах при МТЗ. Показано, что учет гальванических искажений возможен, по экспериментальным данным, при синхронной регистрации распределения компонент электрического и магнитного полей на ограниченном участке земной поверхности.

Работа посвящена обнаружению областей пониженного давления в слоистых структурах, содержащих антиклинальные поднятия. Для сравнительно пологих структур даются простые формулы расчета разрыва давлений на границах. Для структур с большими углами наклона используются методы граничных интегральных уравнений. Показано, что области пониженного давления могут быть не только вблизи купола, но и на расстояниях, смещенных по горизонтали от вершины купола, причем это смещение порядка амплитуды самой структуры. Очевидно, что прогноз напряженного состояния геологических структур представляет достаточно сложную задачу, которая для разных классов структур имеет свою специфику. Тем не менее некоторые элементы напряженного состояния, имеющие важный геологический смысл, например, области пониженных давлений, куда должны устремляться флюиды, рассчитываются сравнительно просто и связаны не только с углами падения структуры, но и с кривизной антиклинальной поверхности в каждой точке. Отрицательная кривизна антиклинальных структур вызывает дополнительное боковое растяжение пород и способствует дальнейшему падению горного давления в окрестности купола структуры.