Трехмерная комплексная геофизическая модель земной коры и верхней части мантии архейского Карельского кратона и позднепалеопротерозойского Свекофеннского аккреционного орогена на юго-востоке Фенноскандинавского щита получена с использованием методов комплексной инверсии геофизических данных, основанных на стохастическом описании взаимосвязей физических свойств среды: плотности, скорости продольных волн и теплогенерации пород. Для построения модели использованы результаты глубинных сейсмических исследований, данные о гравитационном поле и поверхностном тепловом потоке изучаемого региона. Численные схемы решения трехмерных задач реализованы в сферической постановке с учетом реального рельефа Земли. Методика достаточно универсальна и перспективна при исследовании строения коры и литосферы крупных регионов. Геофизическая модель сопоставлена с региональными поверхностными геологическими данными и результатами сейсмических исследований МОГТ по профилям 4В, FIRE-1 и FIRE-3-3A. По результатам комплексного геофизического моделирования и геологической интерпретации особенностей полученной объемной модели показано: (1) субгоризонтальная плотностная расслоенность континентальной коры накладывается на ранее сформированную геологическую структуру, плотностная дифференциация пород с глубиной уменьшается; особенности плотностной расслоенности в преобладающей степени определяются современным и относительно недавним состоянием коры, но могут быть нарушены в результате наиболее поздних деформаций; (2) температурные вариации на разделе Мохо частично определяются «локальными» изменениями теплогенерации мантии, которые обусловлены особенностями ее формирования и преобразования; (3) представления о нижней коре континентов как о «зоне рефлективити» и как о слое значительно повышенной плотности и скорости не являются эквивалентными: нижняя кора – это наиболее глубинный и наиболее высокоплотный элемент субгоризонтальной плотностной расслоенности, в свою очередь, сейсмический образ «зоны рефлективити» преимущественно связан с процессами преобразования коры в результате магматического андерплейтинга и интерплейтинга в обстановках рифтогенного растяжения и мантийно-плюмовой активности; (4) при определенных сочетаниях мощности коры и температурного режима на уровне раздела Мохо породы коры платформенных областей могут быть преобразованы в эклогиты – в этом случае граница коры и мантии определяется количественными соотношениями пород, подвергшихся и не подвергшихся эклогитизации, и соответствующими значениями плотностных и скоростных характеристик; (5) высокий уровень уплотнения пород в коре под воздейстием литостатической нагрузки невозможно объяснить на уровне «простых» представлений о метаморфизме и/или об уплотнении и компакции пород, базирующихся на лабораторных исследованиях образцов и расчетных моделях, что свидетельствует о существовании дополнительных и весьма мощных механизмов, которые обеспечивают обратимые изменения горных пород.

 

Локализованный выход подземных вод на поверхности земли, их намораживание в виде крупных ледяных массивов создают специфические условия энерго- и массообмена в системе атмосфера – почва – литосфера. Зимой кривая вертикального распределения температур существенно деформируется за счет выделения тепла наледным слоем воды при его промерзании, при этом образуется своеобразный термоклин. Деформация температурной кривой, постепенно уменьшаясь в размерах, смещается вниз по разрезу и затухает на границе мерзлых и талых горных пород. Величина и количество отклонений температуры от «нормального» положения зависят от теплозапаса наледеобразующих вод и числа излияний в заданной точке пространства. Появление термоклина изменяет условия промерзания подстилающих грунтов и механизм их льдонасыщения, приводит к формированию двухъярусных ледогрунтовых комплексов (ЛГК), резко отличных от криогенных отложений смежных участков долины. По генетическим особенностям и соотношению составных частей наземного и подземного ярусов описано семь типов наледных ЛГК – массивно-сегрегационный, цементно-базальный, слоисто-сегрегационный, базально-сегрегационный, вакуум-фильтрационный, напорно-инъекционный и трещинно-жильный. Ежегодное формирование и разрушение наледей и подземных льдов сопровождается чередой особо опасных геодинамических явлений, среди которых ведущее место занимают зимнее затопление территории, намораживание воды, пучение грунтов, термокарст и термоэрозия. Совокупность этих процессов приводит к быстрому, часто неожиданному переформированию каналов поверхностного и подземного стока, резкому поднятию и опусканию земной поверхности, разуплотнению и «перетряхиванию» сезоннопротаивающих и сезоннопромерзающих горных пород, что создает крайне неблагоприятные условия для строительства и эксплуатации инженерных сооружений.

Наледи и наледные процессы оказывают влияние на формирование и развитие речной сети. Наиболее широко оно проявляется в областях прерывистого и сплошного распространения вечной мерзлоты, где средняя толщина льда на реках колеблется в пределах 1.0–2.5 м, а основная часть ледяного покрова формируется за счет намораживания излившихся подземных вод. Интенсивность криогенного руслообразования в криолитозоне носит ярко выраженный цикличный характер, зависящий от превышения наледного льда над урезом реки в осеннюю межень. Описаны пять стадий криогенного руслогенеза: 1) предгляциальная, 2) трансгрессивная, 3) стабилизационная, 4) регрессивная и 5) постгляциальная. Каждой стадии соответствует определенный гляциогидрологический режим каналов стока, их форма, размеры и пространственное распределение.

Максимальная трансформация русловой сети происходит в третью и четвертую стадию развития наледных долин, когда русло транзитного потока разбивается на ряд мелководных рукавов, создающих сложный плановый рисунок местности. На зрелых наледных полянах выделяются участки, находящиеся на разных стадиях развития, что свидетельствует о широком диапазоне изменчивости наледного руслогенеза в пространстве и времени. В зависимости от размеров наледей, водности реки, геолого-геоморфологических и мерзлотно-гидрогеологических условий выделено пять видов наледной структуры русловой сети: веерообразная, конусовидная, древовидная, сетчатая и продольно-островная. Наледная русловая сеть может служить надежным показателем интенсивности геодинамических процессов в криолитозоне, как современных, так и древних.

По количеству, размерам и морфолитогенетическому значению наледи Сибири и Дальнего Востока многократно превышают «классическую» (осадочно-метаморфическую) форму оледенения. Чем контрастнее рельеф местности, активнее неотектонические движения и ниже среднегодовая температура воздуха, тем выше процент территории, ежегодно занимаемой наледным льдом. Относительная наледность криолитозоны, определенная с учетом параметров более 10000 ледяных полей составляет 0.66 % (50000 км²). В горах и на плоскогорьях суммарная площадь наледей равна 40000 км², а число ледяных массивов со средней площадью 0.770 км² превышает 60000. На реках длиной до 500 км размеры наледей зависят от порядка водотоков. Наибольшее количество гигантских наледей подземных вод во всех природных зонах располагается в долинах рек 3–4-го порядка. Площадь наледей смешанного питания (речных и подземных вод), занимающих все русло реки, но не выходящих за границу обычной поймы, составляет 68000 км² – в 1.7 раза больше, чем все наледи-тарыны. Кумулятивный руслообразующий эффект наледных явлений выражается величиной прироста русловой сети по отношению к участкам реки выше и ниже наледной поляны. Этот показатель находится в хорошей корреляционной связи с наледностью речных бассейнов, морфоструктурными и мерзлотно-гидрогеологическими условиями территории. Прирост русловой сети ρn, приходящийся на одну наледь подземных вод, в среднем увеличивается от 3.5 км в горах юга Восточной Сибири до 23 км в Верхояно-Колымской горной стране и на Чукотке. На равнинах и в пределах межгорных котловин Байкальской рифтовой системы величина ρn снижается до 2.2 км, что связано с уменьшением средних размеров ледяных полей. В среднем прирост русловой сети на одну крупную наледь подземных вод составляет 12.2 км, а общий прирост в области сплошной и прерывистой вечной мерзлоты (F=7.6 млн км²) оценивается в 690 тыс. км.

Совокупность воздействия наледей и наледных процессов на подстилающие горные породы и русловую сеть есть особая (наледная) форма криогенного морфолитогенеза, характерная для регионов с суровыми природно-климатическими условиями. Дальнейшее ее изучение требкет крупномасштабных аэрокосмических съемок и режимных наблюдений на специальных наледных полигонах.

 

Изучение процессов сейсмомиграции проводилось новым методом построения пространственно-временных диаграмм и посредством сочетания кластерного и регрессионного анализа. С помощью разработанной геоинформационной системы (ГИС) и с использованием всемирного и байкальского регионального каталогов землетрясений решались задачи по выяснению параметров и механизмов пространственно-временной миграции сейсмической активности. Сейсмомиграционные явления изучались в следующих геоструктурных системах: в пределах Байкальской рифтовой зоны (БРЗ), между БРЗ и областью Индо-Евразийской межплитной коллизии, между БРЗ и Западно-Тихоокеанской сейсмофокальной зоной Беньофа, а также в двух сегментах Срединно-Атлантического хребта.

На основе анализа полученных результатов показано, что изучение режимов сейсмомиграций позволяет анализировать пространственно-временное перераспределение сейсмической энергии в разломно-блоковой структуре литосферы и, соответственно, более углубленно изучать деформационно-волновую природу и механизмы формирования сейсмотектонического режима Земли. Установлено проявление прямых (от экватора) и обратных (к экватору) сейсмомиграций для всех рассмотренных районов. Предполагается, что такое явление может быть объяснено периодическим изменением полярного сжатия Земли за счет вариаций ее ротационного режима. Выявлена также периодичность в режиме генерации энергетических кластеров миграции, что может быть связано с влиянием на сейсмический режим 11-летнего цикла солнечной активности. Обсуждается необходимость изучения интерференции волновых деформаций в литосфере, возбужденных несколькими внешними энергетическими источниками. С этих позиций режимы планетарной сейсмомиграции предлагается рассматривать как отражение перераспределения эндогенной, преимущественно тепловой, энергии нашей планеты в ходе деструкции ее литосферной оболочки под воздействием космогенных факторов через триггерные механизмы. На основе положительного опыта для БРЗ обсуждаются возможности применения полученных сведений о сейсмомиграции для прогноза землетрясений в планетарном и региональном масштабе.

Наблюдения наклонов в штольне сейсмостанции Талая ведутся уже около трех десятилетий (с марта 1985 года по настоящее время). В работе представлены результаты измерений. Полученные графики хода деформаций анализируются с использованием упругих и упруговязких моделей геологической среды. Определены годовые скорости деформирования, выявлен его циклический характер с периодами от 3 до 18 лет и амплитудами до 5 секунд дуги (2·10–5). Различными методами определен упругий модуль коренных пород, слагающих долину р. Талой, его величина составила 20 ГПа. С использованием кривой затухания деформации за период 1989–2014 гг., в рамках вязкоупругой модели Кельвина получено значение эффективной вязкости среды 1019 Па·с. С привлечением данных о скоростях вертикальных движений проведена оценка области, представительной для полученных параметров (от 0.1 до 6.0 км). Экспериментально определенные параметры могут быть использованы при моделировании тектонических, косейсмических и постсейсмических процессов.

 

В коллизионных орогенах нижняя часть литосферы может отслаиваться (деламинировать) из-за возникшей инверсии плотностей между астеносферой и более холодной утолщенной литосферной мантией. Обычно в моделях деламинации не рассматриваются плотностные изменения в коре и литосферной мантии, обусловленные фазовыми переходами и вариациями минерального состава при изменении Р-Т условий. Мы акцентируем внимание на том , что эти эффекты могут быть очень важными, возможно преобладающими, по отношению к эффекту простого изменения термальной структуры мантии. В статье изложены результаты численного моделирования с помощью программного комплекса «Селектор» эклогитизации базальтов нижней коры, а также изменения фазового состава и плотности нижележащего перидотита, обусловленных тектоническим утолщением литосферы и ее погружением в астеносферу. Для нижней коры с увеличением глубинности основные гранулиты (базальты) переходят в эклогиты, При этом на принятой границе – кора-мантия (Р=20 кбар) отмечается инверсия плотностей, так как новообразованный эклогит на 6 % тяжелее нижележащего перидотита (абиссального перидотита по Ф. Бойду). Разница в плотностях является потенциальной энергией деламинации эклогитовой части коры. По условиям моделирования нижней границе литосферы соответствуют Р=70 кбар и Т=1300 °С. Принимая адиабатическое распределение температуры в астеносфере, ее значение при данных параметрах оценивается в пределах 1350–1400 °С. Инверсия плотности в сухих условиях достигается только при изохимичности составов литосферы и астеносферы за счет перепада температур в 100 °С. Однако разница в плотностях при этом составляет всего 0.0022 %. Вещественные различия двух других модельных составов астеносферы (примитивная мантия, лерцолит КН) по отношению к литосфере (абиссальному перидотиту) не компенсируются более высокой температурой. Плотность астеносферы получается более высокой, чем плотность низов литосферы. Инверсия плотностей достигается, если допустить присутствие в составе астеносферы, аналогичном примитивной мантии, или лерцолиту КН, соответственно, не менее 1.40 и 0.83 мас. % условно нейтрального флюида. Такое количество флюида явно завышено и совершенно не согласуется с современными оценками содержания флюидов в мантии. Следовательно, только флюидсодержащая астеносфера, отвечающая составу деплетированной мантии срединно-океанических хребтов (DMM) – резервуару, существующему с докембрия, – является наиболее подходящей средой для деламинации утолщенной литосферы. В настоящей модели абиссальный перидотит ближе всего соответствует ДММ по отношению к другим более фертильным составам астеносферы. Адвекция тепла, связанная с подъемом флюидосодержащих плюмов, далеко отстоящих по времени от коллизионных событий, также может вызывать гравитационную нестабильность орогенной и кратонной литосферы и ее деламинацию.

В сообщении представлена хроника проведения XXVI Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика», посвященной 85-летию со дня рождения академика Николая Алексеевича Логачева – выдающегося геолога, специалиста по континентальному рифтогенезу. Освещены основные события и дан тематический обзор докладов конференции.