докт. геол.мин. наук, зав. лабораторией тектонофизики
Doctor of Geology and Mineralogy, Head of Laboratory of Tectonophysics
докт. геол.мин. наук, г.н.с. лаборатории геоэлектрики
Doctor of Geology and Mineralogy, Chief Researcher of Laboratory of Geoelectrics
канд. геол.мин. наук, с. н. с.
Candidate of Geology and Mineralogy, Senior Researcher
докт. геол.мин. наук, в.н.с. лаборатории геоэлектрики
Doctor of Geology and Mineralogy, Lead Researcher of Laboratory of Geoelectrics
канд. геол.-мин. наук, м.н.с.
Candidate of Geology and Mineralogy, Junior Researcher
канд. геол.мин. наук, с.н.с. лаборатории геоэлектрики
Candidate of Geology and Mineralogy, Senior Researcher of Laboratory of Geoelectrics
канд. геол.мин. наук, доцент
Candidate of Geology and Mineralogy, assistant professor
канд. геол.мин. наук, н.с. лаборатории геоэлектрики
Candidate of Geology and Mineralogy, Researcher of Laboratory of Geoelectrics
аспирант
graduate student
аспирант
graduate student
Зонно-блоковая структура литосферы представляет собой иерархически организованную систему стабильных блоков и ограничивающих их подвижных зон, которые отличаются высокой дислоцированностью геологического субстрата (рис. 1). В настоящее время представления о каждом из двух главных элементов структуры литосферы (блоки и зоны) у разных специалистов отличаются друг от друга. Наибольшие разногласия имеют место при определении межблоковых зон, которые в литературе обозначаются различными терминами (деформационная, деструктивная, контактная, мобильная, разломная и др.), что связано с многообразием их проявлений в разных условиях деформации. Очевидно, одним из эффективных подходов к исследованию зонно-блоковой структуры литосферы является разномасштабное геолого-геофизическое изучение тектонотипов межблоковых зон, что позволит выделить наиболее общие закономерности их строения, развития и взаимоотношений друг с другом.
Главные задачи проведенного исследования: 1) выявить зонно-блоковую структуру земной коры юга Восточной Сибири на основе тектонофизического анализа результатов геолого-геофизических работ, проведенных в четырех разных масштабах на трансекте длиной 500 км (Шертой – Красный Чикой), который пересекает краевую часть Сибирского блока, Байкальский рифт и Забайкальский блок (рис. 2); 2) уточнить особенности строения центральной части Байкальского рифта – тектонотипа межблоковой зоны растяжения – путем применения на трансекте Шертой – Красный Чикой новых видов исследования (например, эманационная съемка) и реализации ранее использованных методов в более крупном масштабе (например, магнитотеллурические зондирования); 3) исследовать проявление разноранговых межблоковых зон в различных геолого-геофизических полях и установить общие особенности их строения для верхней части земной коры, а также закономерности иерархических и пространственных взаимоотношений друг с другом.
Кроме Байкальской межблоковой зоны глобального уровня (рис. 2, 15, 16), объектами исследования на трансекте Шертой – Красный Чикой при проведении анализа в трансрегиональном масштабе являлись разломные системы (рис. 6, 11, 14), а в региональном и локальном масштабах – разноранговые разломные зоны (рис. 4, 5), активные на позднекайнозойском этапе тектогенеза. В комплекс геолого-геофизических работ были включены такие методы, которые позволяют по разным признакам выделять разрывные структуры, так как сгущения последних представляют межблоковые зоны земной коры. Это структурно-геологические методы изучения разрывов, морфотектонический анализ рельефа (в т.ч. дешифрирование космоснимков), электроразведка методами естественного электрического поля и электропрофилирования, магнитотеллурические зондирования, эманационная съемка, гидрогеологические исследования водопроявлений. В ходе комплексной интерпретации авторских материалов использовались опубликованные данные предыдущих исследований Прибайкалья, являющегося одним из наиболее изученных геодинамически активных регионов России.
Интерпретация полученных данных с единых тектонофизических позиций позволила решить три поставленные задачи и получить в рамках каждой из них результаты, представленные ниже.
1. Уточнены принципиальные особенности геологического строения земной коры вдоль трансекта Шертой – Красный Чикой, выявлена картина тектонической делимости, и установлено ее соответствие тектонофизическим представлениям о иерархически организованной зонно-блоковой структуре литосферы (рис. 2, 6, 11, 14, 16). В приповерхностной части разреза и до глубины 30 км отчетливо проявлено деление земной коры на относительно слабонарушенные блоки, которые контактируют по широким субортогональным зонам, отличающимся повышенной дислоцированностью и флюидонасыщенностью. В первом приближении блоки имеют форму плит, занимающих субгоризонтальное положение в стабильных регионах юга Восточной Сибири (например, южная часть Сибирской плиты) и субвертикальное – в областях кайнозойской активизации (например, Байкальский рифт). В рамках такой модели для зонно-блоковой структуры юга Восточной Сибири установлена строгая иерархическая соподчиненность, которая проявляется в пространственных взаимоотношениях межблоковых зон (замкнутость сети зон, вложенный характер блоков) и количественно охарактеризована на глобальном, трансрегиональном и трех региональных уровнях (табл. 1, рис. 2, 22). Среднегеометрические размеры зон, пересеченных трансектом, рассчитаны с учетом глубины их проникновения в земную кору, и показано, что масштабный инвариант 2.2, установленный ранее для площадных оценок, справедлив и при анализе объемов межблоковых структур. При детальном рассмотрении межблоковые структуры обычно расширяются к поверхности и в тектонически активных зонах 1-го порядка могут превышать поперечные размеры смежных слабонарушенных блоков, соответствующих им по уровню иерархии (рис. 6, 11, 14, 16). Подобная ситуация, характерная для активно развивающегося Байкальского рифта, определяет особенности его строения с позиций представлений о зонно-блоковой делимости литосферы.
2. Байкальская межблоковая зона относится к глобальному уровню иерархии в зонно-блоковой структуре Азии и развивается в режиме растяжения при контактировании Сибирского и Забайкальского блоков литосферы (рис. 16). Вдоль трассы трансекта она имеет ширину примерно 200 км и на трансрегиональном уровне иерархии состоит из Обручевской, Черско-Баргузинской и Джида-Витимской разломных систем (рис. 6, 11, 14). Первые две из них ограничивают с запада и востока опущенный блок Байкальской впадины и, таким образом, составляют главный участок растяжения литосферы. Второй участок представлен Джида-Витимской разломной системой, отделен от первого высокоподнятым Хамар-Дабанским блоком и в геоморфологическом отношении в пределах трансекта выражен Иволгино-Удинской впадиной (рис. 11, 16). Здесь, вследствие локализации деформации в районе Южно-Байкальской впадины, деструктивный процесс проявляется в меньшей степени, хотя индикаторы современной активности – сейсмичность, тепловой поток, газовые эманации и др. – создают в Джида-Витимской зоне явно выраженные максимумы, которые отличают ее от смежной территории Забайкальского блока (рис. 15). Каждая из трех трансрегиональных разломных систем имеет ширину примерно 50 км и состоит из региональных межблоковых зон, интенсивно развивающихся в пределах байкальского участка растяжения земной коры (рис. 6, 11, 14). По типу внутреннего строения они представляют зоны крупных разломов: Прихребтового, Приморского и Морского – в Обручевской системе, а также Бортового и Дельтового – в Черско-Баргузинской системе. Прихребтовая и Бортовая разломные зоны, занимая в системах периферийное положение, выполаживаются в направлении оси рифта с глубин примерно 20 км, что придает характерный «чашеобразный» профиль участку наиболее интенсивных деформаций в Прибайкалье (рис. 16). Высокая степень деструкции на фоне общего растяжения коры приводит к насыщению этого участка флюидами за счет проникновения метеорных вод и глубинных растворов в региональные разломные зоны и, частично, в смежные блоки, которые также принадлежат к внутренней структуре Обручевской и Черско-Баргузинской разломных систем. Находящийся между ними блок Байкальской впадины в этом отношении не является исключением, так как нарушен в центре зоной регионального уровня, где вследствие локализации растяжения процесс флюидизации проявлен наиболее интенсивно (рис. 8, 16). Зона аномально низких сопротивлений имеет ширину ≈7–10 км и не обнаруживает тенденции к резкому сужению в низах коры, что позволяет на данном этапе исследований считать ее главным каналом для миграции глубинных флюидов к поверхности.
3. Опыт, приобретенный в ходе исследований по трансекту Шертой – Красный Чикой, показал, что использовавшийся комплекс методов характеризуется высокой информативностью при выделении и анализе внутреннего строения разноранговых межблоковых зон, экспрессностью полевых измерений и возможностью применения в разнообразных условиях юга Восточной Сибири. Он включает методы, которые дополняют друг друга, что позволяет исследовать необходимый набор свойств межблоковых зон. В общем случае зоны выделяются по сравнению с пространствами блоков понижениями в рельефе, аномалиями условий водообмена, положительными и сложными по форме газовыми аномалиями, а также низкими значениями удельного электрического сопротивления как вблизи поверхности, так и на глубине (рис. 3–6, 8, 11–16). Сложность интерпретации комплексных данных заключается в том, что отдельными методами выявляются разные особенности межблоковых зон, которые в зависимости от условий формирования и развития отличаются по степени неоднородности внутреннего строения. На данном этапе исследований границы межблоковых зон могут в первом приближении успешно определяться по усредненному положению разнотипных аномалий, которые при их численном выражении отделяются от фона уровнем среднего арифметического без использования величины среднеквадратичного отклонения.
В дальнейшем необходимо провести детальные исследования, которые позволят установить для каждого из полей специфику проявления межблоковых зон, отличающихся: 1) кинематическим типом, рангом и степенью активности; 2) свойствами заполнителя зон и вмещающего их субстрата; 3) особенностями влияния внешних факторов (например, планетарного характера). Сопоставление результатов работ подобного типа позволит уточнить предложенные в статье обобщенные модели проявления межблоковых зон в отдельных геолого-геофизических полях (рис. 17, 20, 21). Это повысит эффективность применения методического комплекса для выделения межблоковых зон в регионах, характеризующихся недостаточной обнаженностью горных пород.
The zone-block structure of the lithosphere is represented by a hierarchically organized pattern of stable blocks and mobile zones which border such blocks and contain highly dislocated geological medium (Fig. 1). Today, different specialists adhere to different concepts of blocks and zones, which are two main elements of the lithosphere structure. Differences are most significant in determinations of ‘interblock zones’ that are named as deformation / destructive / contact / mobile / fracture zones etc. due to their diversity in different conditions of deformation. One of the most effective approaches to studying the zone-block structure of the lithosphere is a combination of geological and geophysical studies of interblock zones tectonic features on various scales, which can make it possible to reveal the most common patterns of the interblock zones, general regularities of their development and relationships between the interblock zones.
The main objectives of our study were (1) to identify the zone-block structure of the crust in the southern regions of East Siberia from tectonophysical analysis of geological and geophysical surveys conducted on four different scales along the 500 km long Shertoy-Krasny Chikoy transect crossing the marginal segment of the Siberian block, the Baikal rift and the Transbaikalian block (Fig. 2); (2) to clarify structural features of the central part of the Baikal rift (representing the tectonic type of interblock extension zone) by applying new research methods, such as radon emanation survey, to the Shertoy-Krasny Chikoy transect and using the previously applied methods, such as magnetotelluric sounding, on a smaller scale; and (3) to study manifestation of interblock zones of various ranks in different geological and geophysical fields, to reveal common specific features of their structural patterns for the upper crust, and to establish regularities of hierarchic and spatial relationships between the interblock zones.
On the global scale, the object of our study at the Shertoy-Krasny Chikoy transect was the Baikal interblock zone (Fig. 2, 15, and 16). On the trans-regional scale, large fault zones were studied (Fig. 6, 11, and 14). On the regional and local scales, the objects of our study were systems of faults and fractures of various ranks which were active at the late Cenozoic stage of tectogenesis (Fig. 4, and 5). The set of geological and geophysical surveys included application of methods for identification of faults and fractures using different criteria, with account of the fact that clusters of such structures are indicative of the interblock zones of the crust. We used structural geological methods for studying faults and fractures, morphostructural analysis (including interpretation of satellite images), self-potential (SP) and resistivity profiling, magnetotelluric (MT) sounding, radon emanation survey, and hydrogeological studies of water occurrences. The region of Lake Baikal is one of the most studied geodynamically active regions of Russia; therefore, published data from previous studies of the Baikal region were used to interpret the data obtained by the authors.
By interpreting the obtained data from the unified tectonophysical positions, the three objectives were met, and the following research results were stated:
1. The principal specific features of the geological structure of the crust along the Shertoy-Krasny Chikoy transect are specified. It is established that the divisibility pattern complies with tectonophysical definitions of the hierarchically organized zone-block structure of the lithosphere (Fig. 2, 6, 11, 14, and 16). It is clearly evidenced, within the depth interval from the near-surface to about 30 km, that the crust is split into slightly broken blocks that are in contact with each other via wide zones that are marked by higher fracturing and fluid saturation. To a first approximation, such blocks are shaped as subhorizontal plates in the stable southern regions of East Siberia (e.g., the southern part of the Siberian platform) and subvertical plates in the areas being active in the Cenozoic (e.g., the Baikal rift). Within the framework of the given model of the zone-block structure of the southern regions of East Siberia, strict hierarchical subordination is established that manifests in spatial relationships of interblock zones (the closed network of the zones, imbedded blocks); its quantitative characteristics are stated at the global, trans-regional and three regional levels (Table 1, Fig. 2, Fig. 22). Average sizes of the zones, that were crossed by the transect, are estimated from the depth of their penetration into the crust; it is shown that Scale Invariant 2.2 (previously set for estimates of square areas) is valid also for the analysis of volumes of interblock structures. Detailed observations show that interblock structures are usually wider towards the earth surface; in the 1st order active zones, dimensions of the interblock structures may exceed dimensions of the adjacent, slightly disturbed blocks of the corresponding hierarchic level (Fig. 6, 11, 14, and 16). This pattern is typical of the actively developing Baikal rift and determines specific features of its structure with regards to the zone-block divisibility of the lithosphere.
2. The Baikal interblock zone is a global one in the hierarchy of the zone-block structure of Asia. It develops under tension conditions at the contact of the Siberian and Trans-Baikal lithospheric blocks (Fig. 16). Within the transect, the width of the Baikal interblock zone is about 200 km. At the trans-regional level of the hierarchy, the zone is comprised of the Obruchevsky, Chersky-Barguzin and Dzhida-Vitim fault systems (Fig. 6, 11, and 14). The first two of them act as the western and eastern borders of the subsided block of the Baikal basin and thus constitute the major area of the lithospheric extension. The second area is the Dzhida-Vitim fault system separating from the first one by the uplifted Khamar-Daban block; within the transect, it is morphologically manifested by the Ivolgino-Uda basin (Fig. 11, and 16). In this area, due to localization of deformation in the South Baikal basin, the process of fracturing is less pronounced, although indicators of the recent activity, such as seismicity, heat flow, gas emanations etc., are clearly at maximums over the Dzhida-Vitim zone, which makes it evident that this zone is distinguished from the adjacent Transbaikalian block (Fig. 15). Each of the three trans-regional fault systems has a width of about 50 km and consists of regional interblock zones that undergo the intensive development within the Baikal area wherein the crust is subject to extension (Fig. 6, 11, and 14). By their internal patterns, they represent zones of major faults: the Prikhrebtovy, Primorsky, and Morskoy faults constituting the Obruchevsky fault system, as well as the Bortovoy and Deltovy faults from the Chersky-Barguzin system. The Prikhrebtovy and Bortovoy fault zones are located at the periphery of the systems and flatten out in the direction of the rift axis from depths of about 20 km, and, consequently, the area of the most intensive deformations in the Pribaikalie has a ‘bowl-shaped’ profile (Fig. 16). Due to the intensive fracturing occurring in the conditions of the overall stretching of the crust, this area is saturated with meteoric water and deep fluids penetrating into the regional fault zones and partially into the adjacent blocks also belonging to the internal pattern of the Obruchevsky and Chersky-Barguzin fault systems. The block represented by the Baikal basin (located between these two fault systems) is no exception as its central part is disturbed by the regional-scale zone wherein fluidization is most intense due to localization of deformation (Fig. 8, and 16). The zone of the anomalously low resistivity has a width of about 7-10 km and shows no trend to any drastic narrowing in the lower crust, which gives grounds to consider it as the main channel for migration of deep fluids towards the surface.
3. As shown by experiences gained during the research at the Shertoy-Krasny Chikoy transect, in East Siberia the applied methods and techniques are informative for identification and analyses of the internal patterns of the interblock zones of different ranks. The methods and techniques used in studies along the transect complement each other and make it possible to investigate different properties of interblock zones. In general, in comparison with blocks, the zones are distinguished by the relief lowering, anomalous water exchange conditions, gas anomalies that are positive and complex in shape, and low resistivity values both near the surface and at depth (Fig. 3–6, 8, and 11–16). Integrated interpretation of the data is challenging: when applied separately, the methods and techniques reveal various specific features of interblock zone that differ in the degree of heterogeneity of the internal patterns depending on conditions of their formation and development. At the current stage of research, the boundaries of the interblock zones can be determined, to a first approximation, from average positions of anomalies, to determine which the deviations of measured parameters from their mean values are used.
In the future, it is necessary to conduct detailed surveys using the above geological and geophysical methods in order to reveal specific features of manifestation of the interblock zones that differ in (1) kinematic types, ranks and degrees of activity, (2) properties of infill material and the surrounding medium, and (3) impacts of external factors (e.g., those of the planetary level). Upon comparison of results of such studies, it will be possible to update and improve the proposed generalized models accounting for manifestation of the interblock zones in the geological and geophysical fields (Fig. 17, 20, and 21) and to ensure that the methods and techniques used can be applied more effectively for identification of interblock zones in regions where rock outcrops are poor or lacking.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.