Геоэлектрический имидж сбросовых зон: тектонофизическая интерпретация малоглубинной электротомографии на примере Бугульдейско-Чернорудского грабена в Западном Прибайкалье

В статье представлены результаты применения нового подхода к обработке и интерпретации данных малоглубинной электротомографии на примере сбросовых зон центральной части Байкальского рифта. Подход основан на представлениях тектонофизики о трехстадийном формировании разлома, которое предопределяет закономерное существование в породном массиве трех уровней нарушенности субстрата. Уровни выявляются посредством статистического анализа величин удельного электрического сопротивления (УЭС), измеренных на профиле электротомографии, пересекающем изучаемый дизъюнктив. Это позволяет выделять на геоэлектрическом разрезе участки, у которых уровень нарушенности пород соответствует ранней, поздней и заключительной стадии разломообразования. Подобный разрез представляет основу для выделения границ разломной зоны и главных особенностей ее внутреннего строения. Тектонофизический подход был реализован для серии разноранговых сбросовых зон, располагающихся в бортах Бугульдейско-Чернорудского грабена в Приольхонье. Сопоставление геоэлектрических разрезов, построенных в соответствии с единой методикой, позволило установить, что приразломные аномалии УЭС в качественном отношении подобны. Их строение определяется общим механизмом сбросообразования, реализующимся в верхней части коры при скольжении вдоль изогнутого (листрического) сместителя. Итогом исследования стала идеализированная геоэлектрическая модель, которая представляет двумерный разрез с низкоомной аномалией, соответствующей сбросовой зоне. Аномалия асимметрична, имеет грибоподобный вид и неоднородное внутреннее строение. Ее структура в лежачем крыле отражает веер вторичных разломов, образующихся при субвертикальных движениях в сбросовой зоне, которая у поверхности круто наклонена к горизонту. Строение аномалии в висячем крыле отражает систему линзоподобных грабенов, формирующихся над выполаживающейся с глубиной поверхностью главного сместителя. Предложенная на примере Приольхонья геоэлектрическая модель может иметь широкое применение для диагностики обстановок и структур растяжения земной коры, поскольку ее строение контролируется общими закономерностями формирования сбросовых зон, имеющих листрическую форму.

1. Al-Zubedi A.S., Thabit J.M., AL-Hameedawi M.M., 2015. Delineation of subsurface fractures density within and out of Abu-Jir Fault zone using 2D imaging resistivity technique, a case study from southwest of Karbala City, Central Iraq. Iraqi Journal of Science 56 (1B), 466–473.

2. Bense V.F., Gleeson T., Loveless S.E., Bour O., Scibek J., 2013. Fault zone hydrogeology. Earth-Science Reviews 127, 171–192. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2013.09.008.

3. Berg S.S., Skar T., 2005. Controls on damage zone asymmetry of a normal fault zone: outcrop analyses of a segment of the Moab fault, SE Utah. Journal of Structural Geology 27 (10), 1803–1822.

4. Bhat G.R., Balaji S., Bali B.S., Iqbal V., Hussain H., 2018. Paleoseismological investigations along Joggers Park Fault, Port Blair, South Andaman: Implications towards delineation of blind thrusting and related crustal deformation through ground penetrating radar (GPR) and electrical resistivity techniques (ERT and VES). Journal of the Geological Society of India 91 (1), 81–90. https://doi.org/10.1007/s12594-018-0823-z.

5. Бокун А.Н. Развитие и характер трещин в моделях флексурообразного изгиба // Экспериментальная тектоника в теоретической и прикладной геологии / Ред. И.В. Лучицкий, П.М. Бондаренко. М.: Наука, 1985. С. 230–237.

6. Burg J.P., 2018. Script to Tectonics. Lectures 650-3521-00L and 650-3521-00V. ETH Zurich.

7. Бурзунова Ю.П. Трещинные сети в породах тектонически активных регионов: оценка степени хаотичности // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014. № 4. С. 45–49.

8. Caine J.S., Evans J.P., Forster C.B., 1996. Fault zone architecture and permeability structure. Geology 24 (11), 1025–1028. https://doi.org/10.1130/0091-7613(1996)024<1025:FZAAPS>2.3.CO;2.

9. Черемных А.В. Внутренняя структура разломных зон Приольхонья и эволюция напряженного состояния верхней коры Байкальского рифта // Геодинамика и тектонофизика. 2010. Т. 1. № 3. С. 273–284. https://doi.org/10.5800/GT-2010-1-3-0021.

10. Chester F.M., Evans J.P., Biegel R.L., 1993. Internal structure and weakening mechanisms of the San Andreas fault. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 98 (B1), 771–786. https://doi.org/10.1029/92JB01866.

11. Choi J.H., Edwards P., Ko K., Kim Y.S., 2016. Definition and classification of fault damage zones: A review and a new methodological approach. Earth-Science Reviews 152, 70–87. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2015.11.006.

12. Clausen J.A., Gabrielsen R.H., Johnsen E., Korstgård J.A., 2003. Fault architecture and clay smear distribution. Examples from field studies and drained ring-shear experiments. Norwegian Journal of Geology/Norsk Geologisk Forening 83 (2), 131–146.

13. Delvaux D., Moyes R., Stapel G., Melnikov A., Ermikov V., 1995. Palaeostress reconstructions and geodynamics of the Baikal region, Central Asia, Part I. Palaeozoic and Mesozoic pre-rift evolution. Tectonophysics 252 (1–4), 61–101. https://doi.org/10.1016/0040-1951(95)00090-9.

14. Delvaux D., Moyes R., Stapel G., Petit C., Levi K., Miroshnichenko А., Ruzhich V., San'kov V., 1997. Paleostress reconstructions and geodynamics of the Baikal region, Central Asia, Part 2. Cenozoic rifting. Tectonophysics 282 (1–4), 1–38. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(97)00210-2.

15. Demanet D., Renardy F., Vanneste K., Jongmans D., Camelbeeck T., Meghraoui M., 2001. The use of geophysical prospecting for imaging active faults in the Roer Graben, Belgium. Geophysics 66 (1), 78–89. https://doi.org/10.1190/1.1444925.

16. Домбровская Ж.В. Палеогеновая кора выветривания Центрального Прибайкалья. М.: Наука, 1973. 153 с.

17. Drahor M.G., Berge M.A., 2017. Integrated geophysical investigations in a fault zone located on southwestern part of İzmir city, Western Anatolia, Turkey. Journal of Applied Geophysics 136, 114–133. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.10.021.

18. Faulkner D.R., Jackson C.A.L., Lunn R.J., Schlische R.W., Shipton Z.K., Wibberley C.A.J., Withjack M.O., 2010. A review of recent developments concerning the structure, mechanics and fluid flow properties of fault zones. Journal of Structural Geology 32 (11), 1557–1575. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2010.06.009.

19. Fazzito S.Y., Rapalini A.E., Cortés J.M., Terrizzano C.M., 2009. Characterization of Quaternary faults by electric resistivity tomography in the Andean Precordillera of Western Argentina. Journal of South American Earth Sciences 28 (3), 217–228. https://doi.org/10.1016/j.jsames.2009.06.001.

20. Fedorovsky V.S., 1997. Dome tectonics in the Caledonian collision system of Western Cisbaikalia. Geotectonics 31 (6), 483–497.

21. Fischer T., Štěpančíková P., Karousová M., Tábořík P., Flechsig C., Gaballah M., 2012. Imaging the Mariánské Lázně Fault (Czech Republic) by 3-D ground-penetrating radar and electric resistivity tomography. Studia Geophysica et Geodaetica 56 (4), 1019–1036. https://doi.org/10.1007/s11200-012-0825-z.

22. Galli P.A.C., Giocoli A., Peronace E., Piscitelli S., Quadrio B., Bellanova J., 2014. Integrated near surface geophysics across the active Mount Marzano Fault System (southern Italy): seismogenic hints. International Journal of Earth Sciences 103 (1), 315–325. https://doi.org/10.1007/s00531-013-0944-y.

23. Григорьев А.С., Волович И.М., Михайлова А.В., Ребецкий Ю.Л., Шахмурадова З.Е. Исследование напряженного состояния, кинематики и развития нарушений сплошности осадочного чехла над активными разломами фундамента (при сочетании математического и физического моделирования в условиях плоской деформации) // Поля напряжений и деформаций в земной коре / Ред. Ю.Д. Буланже. М.: Наука, 1987. С. 5–31.

24. Jeanne P., Guglielmi Y., Cappa F., 2012. Multiscale seismic signature of a small fault zone in a carbonate reservoir: Relationships between VP imaging, fault zone architecture and cohesion. Tectonophysics 554–557, 185–201. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2012.05.012.

25. Jones G., Knipe R.J., 1996. Seismic attribute maps; application to structural interpretation and fault seal analysis in the North Sea basin. First Break 14 (12), 449–461. https://doi.org/10.3997/1365-2397.1996024.

26. Komolafe A.A., Kuria Z.N., Woldai T., Noomen M., Anifowose A.Y.B., 2012. Integrated remote sensing and geophysical investigations of the geodynamic activities at Lake Magadi, Southern Kenyan rift. International Journal of Geophysics 2012, Article ID 318301. https://doi.org/10.1155/2012/318301.

27. Кожевников Н.О. Региональная структура Приольхонья по данным электромагнитных зондирований и метода ЕП // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2015. Т. 2. №. 2. C. 107–112.

28. Kukley L.N., 1985. Precambrian of Western Pribaikalie. IPE RAS, Moscow, 189 p. (in Russian) [Куклей Л.Н. Докембрий Западного Прибайкалья. М.: ИФЗ РАН, 1985. 189 с.].

29. Леви К.Г., Аржанникова А.В., Буддо В.Ю., Кириллов П.Г., Лухнев А.В., Мирошниченко А.И., Ружич В.В., Саньков В.А. Современная геодинамика Байкальского рифта // Разведка и охрана недр. 1997. № 1. С. 10–20.

30. Logachev N.A., 2003. History and geodynamics of the Baikal rift. Geologiya i Geofizika (Russian Geology and Geophysics) 44 (5), 391–406.

31. Loke M.H., 2010. Tutorial: RES2DINV ver. 3.59, Rapid 2-D Resistivity & IP inversion using the least-squares method. Geotomo Software, Malaysia, 148 p.

32. Mats V.D., 1993. The structure and development of the Baikal rift depression. Earth-Science Reviews 34 (2), 81–118. https://doi.org/10.1016/0012-8252(93)90028-6.

33. Мац В.Д., Уфимцев Г.Ф., Мандельбаум М.М., Алакшин А.М., Поспеев А.В., Шимараев М.Н., Хлыстов О.М. Кайнозой Байкальской рифтовой впадины: строение и геологическая история. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2001. 252 с.

34. Mitchell T.M., Faulkner D.R., 2009. The nature and origin of off-fault damage surrounding strike-slip fault zones with a wide range of displacements: A field study from the Atacama fault system, northern Chile. Journal of Structural Geology 31 (8), 802–816. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2009.05.002.

35. Moisidi M., Vallianatos F., Soupios P., Kershaw S., 2012. Spatial spectral variations of microtremors and electrical resistivity tomography surveys for fault determination in southwestern Crete, Greece. Journal of Geophysics and Engineering 9 (3), 261–270. https://doi.org/10.1088/1742-2132/9/3/261.

36. Negri S., Leucci G., 2006. Geophysical investigation of the temple of Apollo (Hierapolis, Turkey). Journal of Archaeological Science 33 (11), 1505–1513. https://doi.org/10.1016/j.jas.2006.02.003.

37. Palacky G.J., 1989. Resistivity characteristics of geologic targets. In: M.N. Nabighian (Ed.), Electromagnetic methods in applied geophysics. Vol. 1. Theory. Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, Oklahoma, р. 52–129. https://doi.org/10.1190/1.9781560802631.ch3.

38. Patton T.L., Logan J.M., Friedman M., 1998. Experimentally generated normal faults in single-layer and multilayer limestone specimens at confining pressure. Tectonophysics 295 (1–2), 53–77. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(98)00115-2.

39. Соотношение древней и кайнозойской структур в Байкальской рифтовой зоне / Ред. С.Ф. Павлов. Новосибирск: Наука, 1979. 126 с.

40. Pedrera A., Marín-Lechado C., Stich D., Ruiz-Constán A., Galindo-Zaldívar J., Rey-Moral C., de Lis Mancilla F., 2012. Nucleation, linkage and active propagation of a segmented Quaternary normal-dextral fault: the Loma del Viento fault (Campo de Dalías, Eastern Betic Cordillera, SE Spain). Tectonophysics 522–523, 208–217. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2011.12.001.

41. Плешанов С.П., Ромазина А.А. Некоторые вопросы кинематики развития разломов центральной части Байкальского рифта // Проблемы разломной тектоники / Ред. Н.А. Логачев, С.И. Шерман. Новосибирск: Наука, 1981. С. 129–141.

42. Putiška R., Dostál I., Mojzeš A., Gajdoš V., Rozimant K., Vojtko R., 2012. The resistivity image of the Muráň fault zone (Central Western Carpathians) obtained by electrical resistivity tomography. Geologica Carpathica 63 (3), 233–239. https://doi.org/10.2478/v10096-012-0017-3.

43. Schueller S., Braathen A., Fossen H., Tveranger J., 2013. Spatial distribution of deformation bands in damage zones of extensional faults in porous sandstones: Statistical analysis of field data. Journal of Structural Geology 52, 148–162. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2013.03.013.

44. Schütze C., Vienken T., Werban U., Dietrich P., Finizola A., Leven C., 2012. Joint application of geophysical methods and Direct Push-soil gas surveys for the improved delineation of buried fault zones. Journal of Applied Geophysics 82, 129–136. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2012.03.002.

45. Семинский К.Ж. Спецкартирование разломных зон земной коры. Статья 1: Теоретические основы и принципы // Геодинамика и тектонофизика. 2014. Т. 5. № 2. С. 445–467. https://doi.org/10.5800/GT-2014-5-2-0136.

46. Семинский К.Ж. Спецкартирование разломных зон земной коры. Статья 2: Основные этапы и перспективы // Геодинамика и тектонофизика. 2015. Т. 6. № 1. С. 1–43. https://doi.org/10.5800/GT-2015-6-1-0170.

47. Seminsky K.Zh., Bobrov A.A., 2012. Spatial and temporal variations of soil-radon activity in fault zones of the Pribaikalie (East Siberia, Russia). In: Z. Li, C. Feng (Eds.), Handbook of radon: properties, applications and health. Chapter 1. Nova Science Publishers, Inc., New York, 1–36.

48. Seminsky K.Zh., Bobrov A.A., Demberel S., 2014. Variations in radon activity in the crustal fault zones: Spatial characteristics. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 50 (6), 795–813. https://doi.org/10.1134/S1069351314060081.

49. Seminsky K.Zh., Demberel S., 2013. The first estimations of soil-radon activity near faults in Central Mongolia. Radiation Measurements 49, 19–34. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2012.12.013.

50. Семинский К.Ж., Кожевников Н.О., Черемных А.В., Бобров А.А., Оленченко В.В., Авгулевич Д.Л. Структура разломных зон Приольхонья (Байкальский рифт) по данным полевой тектонофизики и геофизики // Известия Сибирского отделения Секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых. 2008. № 7 (33). С. 111–124.

51. Семинский К.Ж., Кожевников Н.О., Черемных А.В., Поспеева Е.В., Бобров А.А., Оленченко В.В., Тугарина М.А., Потапов В.В., Зарипов Р.М., Черемных А.С. Межблоковые зоны в земной коре юга Восточной Сибири: тектонофизическая интерпретация геолого-геофизических данных // Геодинамика и тектонофизика. 2013. Т. 4. № 3. С. 203–278. https://doi.org/10.5800/GT-2013-4-3-0099.

52. Seminsky K.Zh., Zaripov R.M., Olenchenko V.V., 2016. Interpretation of shallow electrical resistivity images of faults: tectonophysical approach. Russian Geology and Geophysics 57 (9), 1349–1358. https://doi.org/10.1016/j.rgg.2016.08.020.

53. Шерман С.И. Физические закономерности развития разломов земной коры. Новосибирск: Наука. СО, 1977. 102 с.

54. Шерман С.И., Семинский К.Ж., Борняков С.А., Адамович А.Н., Буддо В.Ю. Разломообразование в литосфере. Зоны сжатия. Новосибирск: Наука. СО, 1994. 263 с.

55. Шерман С.И., Семинский К.Ж., Борняков С.А., Адамович А.Н., Лобацкая Р.М., Лысак С.В., Леви К.Г. Разломообразование в литосфере. Зоны растяжения. Новосибирск: Наука, 1992. 262 с.

56. Sklyarov E.V. (Ed.), 2005. Structural and Tectonic Correlation Across the Central Asia Orogenic Collage: North-Eastern Segment. Guidebook and Abstract Volume of the Siberian Workshop IGCP-480. IEC SB RAS, Irkutsk, 291 p.

57. Štěpančíková P., Hók J., Nývlt D., Dohnal J., Sýkorová I., Stemberk J., 2010. Active tectonics research using trenching technique on the south-eastern section of the Sudetic Marginal Fault (NE Bohemian Massif, central Europe). Tectonophysics 485 (1–4), 269–282. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2010.01.004.

58. Thinova L., Fronka A., Rovenska K., 2011. A pilot study of the dependence of radon concentration on the tectonic structures, using simple geophysical methods. Radiation Protection Dosimetry 145 (2–3), 159–165. https://doi.org/10.1093/rpd/ncr070.

59. Vanneste K., Verbeeck K., Petermans T., 2008. Pseudo-3D imaging of a low-slip-rate, active normal fault using shallow geophysical methods: The Geleen fault in the Belgian Maas River valley. Geophysics 73 (1), B1–B9. https://doi.org/10.1190/1.2816428.

60. Зарипов Р.М. Особенности применения электротомографии при исследовании разломных зон Приольхонья (Западное Прибайкалье) // Трофимуковские чтения – 2013. Новосибирск: ИНГГ, 2013. С. 271–274.

61. Zarroca M., Linares R., Bach J., Roqué C., Moreno V., Font L., Baixeras C., 2012. Integrated geophysics and soil gas profiles as a tool to characterize active faults: the Amer fault example (Pyrenees, NE Spain). Environmental Earth Sciences 67 (3), 889–910. https://doi.org/10.1007/s12665-012-1537-y.

62. Zhu T., Zhou J., Wang H., 2017. Localization and characterization of the Zhangdian-Renhe fault zone in Zibo city, Shandong province, China, using electrical resistivity tomography (ERT). Journal of Applied Geophysics 136, 343–352. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.11.016.