Введение
Чуйская неотектоническая впадина является одной из крупнейших кайнозойских впадин Горного Алтая. Она со всех сторон окружена горными хребтами. В общем, этот район характеризуется сложным тектоническим строением. Чуйский прогиб является областью интенсивной складчатости. Горное обрамление без сомнения имеет блоковое строение, отражающее активные тектонические движения. С севера со стороны Курайского хребта прослеживается мощная зона Курайского разлома. У северного борта депрессии наблюдается напряженная пликативная тектоника. Породы образуют крутые и опрокинутые складки с углами падения до 50-70 градусов [1]. В плане, впадина вытянута в широтном направлении, примерный ее размер 30 70 км. Дневная поверхность впадины представляет собой довольно плоскую, местами заболоченную равнину.
На территории впадины в 70-80-е гг. было проведено около 3000 тысяч электрических и электромагнитных зондирований. В основном использовались технологии зондирований становлением поля (ЗС), а также вертикальные электрические зондирований (ВЭЗ). Современные средства обработки не применялись. Палеточная интерпретация данных в те годы была направлена на оценку мощности рыхлых отложений. При предварительном анализе экспериментального материала учитывались физические основы использованных технологий электроразведки, а также известные особенности геологического строения впадины. Так, например, широко распространенная многолетняя мерзлота, является экраном для метода ВЭЗ, а наличие на поверхности валунно-галечных отложений часто создают сложные условия для заземления. То есть методически и физически глубинные структурные исследования предпочтительнее было проводить, используя зондирования становлением поля. Поэтому для компьютерной интерпретации решено было полностью использовать материал ЗС, с учетом данных ВЭЗ, имеющихся в цифровом виде.
Для зондирований становлением поля была использована соосная, симметричная установка (петля в петле). Для большей части зондирований применяли генераторные и приемные петли размером 400 (м) х 400 (м) с таким же шагом по профилю. Обычно в каждой точке проводилось два зондирования с различным током (12 и 40 А). При величине тока 12 А измерения ЭДС начинались в среднем с 0,3 мс. При токе в 40 А - от 0.6 до 1.0 мс. Конечное время измерений ограничивалось уровнем помех и составляло от 40 до 100 мс. В каждом пункте зондирований на меньшем токе регистрировался один цикл измерений при 100 накоплениях, на большем токе проводилось 3 цикла измерений при том же числе накоплений. Минимальная величина измеряемого полезного сигнала составляла в среднем 10 мкВ. Средняя относительная ошибка измерений оценивалась примерно с 3 - 5 % на ранних временах и до 10 - 15 % на поздних. Зондирования на нескольких профилях в восточной части планшета проведены с установкой 500 (м) х 500 (м) и шагом 500 (м). Погрешность измерений здесь достигала 12%. При проведении работ применялась аппаратура "Цикл". На рис. 1 показана схема размещение профилей, пунктов измерений, буровые скважины, а также некоторые элементы топографической и геологической карты ( показана граница горного обрамления)
Рис. 1. Схема района работ
На профилях, обозначенных на схеме римскими цифрами, использовалась аппаратура "Импульс" и петли 200 (м) х 200 (м) с шагом по профилю 200 метров, сила тока в генераторной петле составляла 8-15 А. Сигнал регистрировался, начиная с 0.2 мс. Средняя относительная погрешность измерений оценивается примерно в 10-15 % из-за высокого уровня помех.
Большая часть кривых кажущихся сопротивлений имеют выраженный минимум и, по крайней мере, несколько точек после него, которые формируют правую восходящую ветвь, что позволяет уверенно определять глубины до высокоомного фундамента.
На этапе современной обработки использовался программный комплекс "ЭРА" [2]. На рис 2 приведена типичная практически неискаженная кривая ЗС для центральных профилей, пересекающих основные, структурные элементы впадины. На этом же рисунке показана горизонтально-слоистая модель и теоретическая кривая зондирования. Экспериментальные данные изображены на рисунке вертикальными штрихами, размер штриховки зависит от существующей погрешности измерений. В данном случае, погрешность равнялась от 1 до 2 % для левой ветви и части минимума кривой и повышалась до 5-10 % для правой ее части. Видно, что правая ветвь немного искажена, но точность подбора теоретической кривой хорошая, (она показана на рисунке сплошной линией). Средняя погрешность подбора находится в пределах 5%. Наблюдается хорошее согласование синтетических и экспериментальных данных.
Рис. 2. Типичная кривая становлением поля (проиль 7, пункт 314)
Так как впадина находится в тектонически-активной области, как фундамент так и рыхлые отложения пересекают многочисленные разломы различной ориентации и размеров. Но, тем не менее, при интерпретации данного материала удается работать в классе горизонтально-слоистых моделей, что, прежде всего, объясняется высокой локальностью выбранной для измерений установки, что в принципе характерно для всех индукционных установок [3]. Известно, что именно индукционные установки с соосными рамками имеют наименьшую чувствительность к негоризонтальным поверхностям раздела в исследуемом разрезе. Кроме того, на погрешности измерений слабо влияет наклон генераторной и приемной рамок, то есть негоризонтальная верхняя граница.
Результаты компьютерной интерпретации.
Рассмотрим рис.3, на котором представлены геоэлектрические разрезы через основные, структурные элементы впадины по наиболее протяженным профилям. Разрезы N 5, 6, 9, 10 построены с севера от зоны разломов Курайского хребта до южного горного обрамления. На примере этих разрезов отмечается ступенчато- блоковое строение пород, слагающих осадочный чехол. Можно видеть, что наиболее сложно устроен северный борт впадины, расположенный вблизи зоны Курайского разлома, где нашими построениями подтверждены, предполагаемые геологами надвиги высокооммных палеозойских пород на более поздние отложения третичного периода. Осадочные комплексы на северной окраине образуют крутые, вероятно даже опрокинутые складки, например, северная часть профилей 6 и 9, здесь наблюдаются выходы хорошо проводящих отложений на поверхность. Возможно, что в этих местах отслеживаются зоны четвертичных разломов, заполненные разуплотненными породами. На приведенных профилях отмечается сложное глыбово-блоковое строение фундамента. Фундамент пересечен многочисленными разломами, которые фиксируются резкими его уступами и достаточно четко прослеживаются выше по разрезу ступенями в осадочном чехле.
Рис. 3. Геоэлектрические разрезы 5, 6, 9, 10.
Следует отметить, что разломы Чуйской впадины невелики по ширине. Вероятно, в среднем разломные зоны достигают 100-300 метров, так как при шаге съемки 400 метров, разломы на разрезах фиксируются резким изменением мощности осадочной толщи, по данным интерпретации соседних кривых зондирований, позволяющих работать в рамках горизонтально-слоистой модели. И только незначительная часть кривых, когда точка измерений находится непосредственно над разломной зоной, характеризуется резким падением правой ветви кривой и невозможностью определить глубину до фундамента. Анализ информации по геоэлектрическим профилям показывает, что впадина состоит, по крайней мере, из двух крупных структурных единиц: центральный прогиб, с локальными ступенчатыми опусканиями и западный, с более простым блоковым строением.
Осадочный чехол разделяется по сопротивлению в основном на три слоя: два верхних - относительно высокоомных и нижний - наиболее проводящий и мощный. Начнем с характеристики самого нижнего слоя. Он имеет электрические сопротивления в интервале от 7 до 30 Омм и отнесен к палеоген-нижненеогеновому возрасту, включает кошагачские отложения, и возможно отложения другого возраста.
В среднем слое, отнесенном по скважинной информации к туерыкской свите, сопротивление, меняется от 50 до 200-300 Омм. В северной и западной части впадины свита представлена глинами с мергелями, известняками и грубообломочным материалом, соответственно и электрическое сопротивление здесь достаточно высокое ( в среднем 150 Омм). На юге и юго-востоке сопротивление пород этой свиты значительно ниже: около 60 Омм. Кроме того, этот слой на 11 и 12 профилях разделяется на два, достаточно контрастных по сопротивлению.
Рис. 4. Карта глубин до фундамента.
Рис. 5. Рельеф поверхности фундамента.
И наконец, самая верхняя часть разреза, наиболее высокооммная, характеризуется сопротивлением от 200 до 2000 Омм. Он сложен грубообломочными осадками различного генезиса, а также песчанистыми с примесью гальки отложениями бекенской свиты.
На рис. 4 приведена карта глубин до фундамента. Наиболее темным цветом показаны места наибольшего погружения фундамента. Как уже отмечалось, все они находятся у северного борта впадины. На этом рисунке видно, что западный прогиб впадины в плане имеет достаточно сложную конфигурацию, он разделяется на три локальных впадины, разделенных перемычками. На рисунке показаны также основные разломные нарушения. Эти разломы закрыты свеху четвертичными отложениями и выделены по данным геоэлектрики. На рисунке показаны также эпицентры землетрясений за инструментальный период выше восьмого энергетического класса. Совместный анализ материала показал, что большая часть эпицентров попадает в зоны разломов, ограничивающих области наибольшего погружения фундамента. Два эпицентра относительно крупных событий 10 и 11 энергетических классов, расположенных в южной части впадины, также попадают на разломы, ограничивающие локальные опускания.
На рис 5 приведена модель поверхности фундамента впадины. Здесь явно выделяются разноглубинные трехмерные грабены с круто падающими бортами. Более подробное рассмотрение результатов интерпретации показывает, что на территории депрессии присутствуют, по крайней мере, два типа складчатости. Во-первых, наблюдается субширотная складчатость, под воздействием которой сформировались три основных локальных опускания: восточное, центральное и западное. Во-вторых, можно видеть субмеридианальную складчатость, сформировавшую менее интенсивные складки.
Геоэлектрическое строение западной части Чуйской впадины.
Рис. 7. Карта рельефа дневной поверхности и профили наблюдений в западной части впадины
Как известно, 27 сентября 2003 года в Горном Алтае произошло сильное землетрясение с магнитудой 7.3. Очаг этого землетрясения располагался на территории Курайской впадины, Северо-Чуйского хребта, а также захватил западную часть Чуйской депрессии. В частности в пос. Бельтир наблюдались значительные разрушения. Сейсмодислокации в виде многочисленных разрывов и трещин проявились на дневной поверхности в бассейне рек Чаган-Узун, Чаган и Елангаш. На этом участке находятся профили электромагнитных зондирований N 1, 2, 3 с шагом съемки 400 метров, а также два профиля 10_1 и 10_2 с шагом съемки 200 метров. Рассмотрим более подробно геоэлектрическую ситуацию в западной части впадины.
На рис. 7 показан примерный рельеф дневной поверхности и размещение профилей измерений. Можно видеть, что профили 10_1, 2, 3 расположены на участке с относительно спокойным рельефом. Профили 10_2 и 1 находятся ближе к горному обрамлению и здесь условия для постановки зондирований более трудные. Далее приведем несколько геоэлектрических разрезов.
Рис. 8. Поперечный разрез с северо-запада на юго-восток.
Только на профиле 10-2 наблюдается относительно горизонтально-слоистое строение осадочной толщи и фундамента. Поперечный разрез и профиль 10_1 свидетельствуют о сложном блоковом строении западной части депрессии. Особенно наглядно это видно на трехмерной модели поверхности фундамента, представленной на рис. 9. Анализ полевого материала, полученного в западной части, показал наличие значительного числа кривых с искажениями характерными для сейсмоактивных территорий. Основная часть искажений обусловлена присутствием наклонных границ и практически вертикальных контактов, когда пункт измерения попадает в область тектонического разлома. Для описанного типа искаженных кривых проводится математическое моделирования с использованием одномерных и трехмерных программ для сложно построенных сред. Эти программы позволяют оценить влияние неоднородностей разреза. Более подробно математическое моделирование для геоэлектрических условий Чуйской впадины описано в работе [4].
Рис. 9. Рельеф поверхности фундамента западной части.
В связи с происшедшим крупным сейсмическим событием лаборатория электромагнитных полей Института геофизики и Новосибирский университет планируют летом 2004 г. провести повторные электромагнитные измерения в Чуйской впадине по тем же профилям с сохранением размеров установок. Основной целью работ является определение современных геоэлектрических параметров разреза и выяснение динамики изменений после сейсмического события. Многочисленные трещины и обвалы, которые зафиксированы по долинам рек Чаган и Елангаш свидетельствуют, что изменились геометрические параметры разреза. В пониженных пойменных участках наблюдались многочисленные выбросы и разливы разжиженных пород верхней части разреза в виде грифонов и грязевых вулканчиков. В пойме реки Талдуры, Чаган-Узун, Чуи произошли площадные разливы обводненного песка и грязевой массы. Стадион в Бельтире был залит водой на глубину до 1.5 м. Установлено также, что достаточно резко изменились гидрогеологические и геохимические условия во всех имеющихся скважинах эпицентральной зоне землетрясения. Значения электрических параметров разреза находится в прямой зависимости от обводненности пород и флюидного режима региона. Резкое изменение этих условий приводит к значительному изменению электрических параметров.
Рассмотрим далее, как влияет изменение геоэлектрических условий на кривые электромагнитных зондирований. На рис. 10 приведены полевые данные и теоретические кривые для зондирования 19 на профиле 10_2, а также геоэлектрические модели, для которых меняются параметры разреза. Изменения геоэлектрических параметров для этих моделей были выбраны небольшими (в пределах 5-10%). Рассмотрим вначале верхний рисунок.
Штрихами показаны полевые данные, теоретическая кривая красного цвета соответствует разрезу 1. Затем полагаем, что мощность первого слоя изменилась на 1 метр (разрез 2). Для разреза 2 кривая показана синим цветом. Можно видеть, что кривые зондирований существенно различаться в области максимума.
Для нижнего рисунка электрическое сопротивление всех слоев разреза модели 2 изменилось на 10 %. При этом можно наблюдать изменение кривой зондирования во всем временном интервале. Таким образом, при повторных электромагнитных измерениях даже при небольших изменениях геоэлектрических параметров разреза есть возможность это зафиксировать.
Заключение
Методы электромагнитных зондирований успешно применяются в различных сейсмоактивных районах. Интерпретация полевых данных с использованием компьютерных технологий позволяет восстанавливать строение сложных тектонических объектов. Кроме того, электромагнитные методы обладают повышенной чувствительностью к изменению напряженного состояния горных пород, поэтому перспективны для проведения мониторинга. Для исследований в районе Чуйской впадине Горного Алтая, в данном случае сложилась благоприятная ситуация. Современная обработка полевых данных, полученных в 80-х гг. прошлого века позволила построить подробную геоэлектрическую модель депрессии. После проведения повторных работ есть возможность выяснить, как изменились параметры разреза депрессии в результате сильного сейсмического события.