Библиотечный каталог авторефератов Украины

НАЦIОНАЛЬНА АКАДЕМIЯ НАУК УКРАЇНИ

IНСТИТУТ ГЕОФIЗИКИ iм. С.I.СУББОТIНА

УДК 550.36  551.2

Усенко Ольга Віталіївна

ТЕПЛОВИЙ ПОТІК ТА ГЛИБИННІ ПРОЦЕСИ

В ТЕКТОНОСФЕРІ ДОНБАСУ

(04.00.22 — Геофізика)

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Київ — 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геофізики ім. С.І.Субботіна Національної Академії наук України

Офіційні опоненти:

Захист відбудеться “  27  ”  жовтня  1999 р. об 11.30  на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.200.01 при Інститутi геофізики Національної Академії наук України за адресою: 252680, м.Київ, пр. Палладіна 32.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту геофізики НАНУ.

Автореферат розісланий       “   31    ”серпня  1999 р.

      Вчений секретар

Спеціалізованної вченої ради

доктор фiзико-математичних наук                                        В.С.Гейко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ  

Актуальність теми. Теплові поля геосинклиналей, як і поля рифтових зон, були першими об`єктами, що привернули увагу дослідників завдяки притаманній їм аномальності. Але природа змін теплового поля активних регіонів все ще є предметом дискусії. Загальновизнана роль тепломасопереносу в різноманітних глибинних процесах, в еволюції складу тектоносфери та стані речовини надр. Тому здається можливим, що вивчення сучасного теплового поля активного регіону та хоча б приблизна оцінка його змін на протязі досить тривалого часу була б корисна.

Для створення детальної карти сучасного теплового потоку (ТП) треба спочатку значно підвищити щільність мережі спостережень температури, визначитися із способом встановлення теплопровідності порід в кожному пункті та внести поправки, які допоможуть усунути вплив хоча б найзначніших побічних факторів. В Донецькому басейні присутні умови для розв`язання цих задач, тому стала можливою побудова карти ТП Донбасу, яка базується на результатах 4 300 нових визначень ТП.  До цієї роботи в межах промислового Донбасу їх налічувалося лише 350 (Кутас, Гордієнко, 1971, Кутас, Бевзюк, 1992, Гордієнко, Завгородня, 1993). Стало можливим виявити та розглянути раніш невідомі особливості структури теплового поля регіону, статистично обгрунтовано виділити фонові та аномальні значення ТП, перевірити наявність гіпотетичних джерел тепла шляхом порівняння їх ефектів з формою та інтенсивністю детально досліджених аномалій.

Використання нового варіанту адвекційно-поліморфної гіпотези (АПГ) глибинних процесів (Гордієнко,1998) дозволило здійснити реконструкцію процесів, які відбувалися в значному інтервалі глибин  впродовж тривалого часу (від середнього девону до сучасності) на конкретному, в значній частині — кількісному, рівні. Наявність детальної інформації про геологічну будову регіону зробила можливим прорівняння подій, передбачуваних згідно АПГ та тих, які дійсно відбувалися на поверхні і зафіксовані в складі  магматичних утворень, потужності осадового шару, ступіні катагенетичних перетворень, тощо. Не меньш цікавими здаються процеси диференціації речовини тектоносфери, які відбувалися в межах усьго процесу герцинської тектонічноі активності та після нього.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувалися в межах робiт за плановими темами відділу тектоносфери ІГФ НАНУ “Вивчення тектоносфери зон молодої активізації України“ (1992-1996р.р.) та “Геофізичні та геодинамічні моделі тектоносфери України“ (з 1997р.), а також в межах робіт по гранту U 59000 Міжнародного наукового фонду “Виділення та дослідження зон молодої активізації України”, грантам 6.3/21 (“Вивчення тектоносфери зон активізації Українського щита та Донбасу”) та 6.4/6 (“Геотермічний Атлас України”)  Державного фонду фундаментальних досліджень України, проектам 1/96 (“Геофізичні дослідження та геофізичні моделі золоторудних дільниць на Українському щиті та в Донбасі”) та  3/97 (“Розробка технології виділення по геофізичним даним дільниць, що перспективні на золоте зруденiння, в межах рудних полів Донбасу”) Державної програми “Золото України”.

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є визначення змін теплового поля Донецького басейну впродовж тривалого часу та встановлення глибинних чинників цих змін. Для цього вирішувалися певні задачі:

створення детальної карти ТП Донбасу та суміжних територій; 

вивчення розподілу сучасного ТП Донбасу, його аналіз та виявлення фонових і аномальних значень;

встановлення природи аномалій та пошук відповідних глибинних процесів;

побудова моделі глибинного розвитку Донбасу, починаючи з часу герцинського геосинклінального етапу до сучасності на підставі АПГ;

порівняння наслідків прогнозованих подій з реальними, які зафіксовані в геологічній будові Донбасу;

розгляд складу мантійного субстрату Донбасу та інших регіонів напередодні активних подій;

вплив змін минералогічного складу мантії на протікання активних процесів в межах тектоносфери.

Наукова новизна одержаних результатів.

1.Розроблено обгрунтування можливості використання температур, що вимірюються на забоях свердловин, вистойка яких не перевищує однієї доби. Встановлена теплопровідність стратиграфічних розрізів, які зустрічаються в межах Донбасу. Обгрунтована неохідність введення палеокліматичноі та структурної поправок. На підставі цих досліджень зроблено обчислення ТП.

2.Вперше на значній теріторії (українська частина промислового Донбасу) досягнута висока щільність мережі визначень ТП, що дозволило вивчати досі невідомі особливості структури теплового поля.

3.Проведено інтерпретацію аномалій ТП для сучасної та кимерійського віку гідротермальної конвекції флюїду в зоні над глибинним розломом по вже розробленій методиці (Олександров, Гордієнко, Деревська та ін.,1996). Проведено порівняння результатів із геологічними даними.

4.Побудовано сучасну теплову модель кори та верхніх горизонтів мантії Донецького регіону і визначено відповідність моделі всім відомим на цей час даним глибинної геофізики.

5.Розглянуто історію глибинних процесів і теплового поля регіону від початку герцинської активізації до сучасності, проведено порівняння її наслідків з геологічною історією регіона.

6.Висунуто гіпотезу впливу складу речовини мантії на можливість процесу активізації на прикладі Донецького регіону.

Достовiрнiсть отриманих результатiв забезпечується великим обсягом експериментальних даних, що дозволяє робити статистично обгрунтованi висновки; використанням усiх вiдомих методик редукцiї ТП; комплексним пiдходом, який забезпечує рiзнобiчний контроль теплових моделей. Достовірність палеореконструкцій процесів, які відбувалися в межах тектоносфери Донбасу, забезпечується великим обсягом використаних даних з геологічної будови Донецького регіону.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи вже використовано при визначеннi перспективних дiлянок золотого зруденiння. Визначення характеру глибинних процесів, що відбуваються в межах промислового Донбасу, може знайти застосування для оцiнки мiсцевої сейсмiчностi. Результати досліджень, що наведені в дисертації, вже використовуються науковими та виробничими організаціями геологічного напряку в Україні: об’єднанням “Північукргеологія” Держгеолкома України, НДПІ Трансгаз, ІГМР НАНУ, а також ГІН РАН.

Публiкацiї та апробацiя. Результати опублiкованi у 8 статтях, доповідалися на міжнародних нарадах:"Теплове поле Землі та методи його вивчення” (1997, 1998, Москва).

Особистий внесок здобувача. Розрахунки радіогенної складової ТП, що генерує кора рагіону, переносу тепла внаслідок гідротермальної діяльності та перерозподіл тепла в межах тектоносфери на різних етапах активізацій зроблено по вже існуючим методікам (Олександров, Гордієнко, Деревська та ін.,1996; Гордієнко,1998). Обробка даних геотермiчних вимірів та побудова карти ТП Донбасу; виявлення аномалій та їх обумовлення розміщенням в межах певних геологічних структур; узгодження їх походження з геолого-геофiзичною iнформацiєю; інтерпретація геологічних даних, які мають відношення до герцинського та кимерійського етапів розвитку регіона і специфічного складу мантійного субстрату напередодні активізації, а також висновки роботи були виконані особисто автором.

Робота не могла бути виконана без консультацій керівника відділу ІГН НАНУ, доктора геол.-мін. наук А.Я.Радзівілла та спiвробiтникiв вiддiлу тектоносфери ІГФ, яким автор висловлює свою щиру подяку.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, заключної частини та переліку посилань (68 найменувань ). Робота містить 133 сторінки тексту, 8 таблиць та 20 малюнків.

КОРОТКИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

Глава 1. Коротка геолого-геофізична характеристика району досліджень.

Розгліянута стратиграфія осадових відкладів (Ротай, Нєстєренко, Стерлін та ін.,1963); тектонічна будова басейну в цілому та її зв`язок з геолого-промисловим районуванням (Попов,1963); надані обзори структурних поверхів осадового шару басейну з розглядом тектоничного районування герцинського структурного поверху (Попов,1963; Лукін,1997 та ін.), який відслонюється внаслідок значного ерозійного зрізу на більшій частині вивчаємої теріторії; визначені розломи кристалічного фундаменту басейну, по яким відбувалися тектонічні рухи жорстких блоків на усіх етапах розвитку, та здійснювався рух до поверхні магматичних розплавів та гідротермальних розчинів (Соллогуб, Бородулін, Чекунов, 1977; Майданович, Радзівілл,1984, та ін.). Із даних глибинної геофізики в цій главі наведена лише довідка про будову земної кори, що отримана за даними ГСЗ (Ільченко, Степаненко, 1998). Наведено опис комплексів магматичних порід, їх петрографічний та мінералогічний склад, абсолютний та відносний геологічний вік . Окремий розділ присвячено глибинним ксенолітам, які є представниками мантійного субстрату напередодні герцинської активізації (Бутурлінов,1975; Лазаренко, Панов, Груба, 1975). Розглянута металогенічна характеристика регіону, розміщення рудних зон та склад мінералізації, зв`язок із зонами глибинних розломів, їх абсолютний та відносний вік (Шумлянський,1983). Надана історія геологічного розвитку регіону..

Глава 2. Вивчення теплового потоку Донбасу.

Геотермічні дослідження в Донецькому басейні проводилися на протязі багатьох років різними геологічними організаціями, де накопичувались результати вимірів температур у свердловинах. В 1984 році колективом авторів під керівництвом Ю.В.Буцика (Буцик, Мартинюк, Подобєдова та ін., 1984) було відібрано та зведено матеріали по вимірам температур і, окремо, теплопровідності порід. Однак цих даних виявилося замало для створення карти ТП. Виявилась потрібною додаткова робота по відбору достовірного матеріалу, визначення теплопровідності осадових порід в кожному окремому випадку, внесення корекції, яка усуває вплив побічних факторів розподілу ТП поблизу поверхні.

Для отримання значення ТП в кожному пункті спочатку встановлювався геотермічний градієнт, який було визначено по температурам на забої свердловин та температурі поверхні. Температура поверхні добре відома завдяки многорічним спостереженням на метеостанціях та вимірам в неглибоких свердловинах і дорівнює в середньому 10,3 °С. На підставі порівнянь температур на забої свердловин, час відстою яких в більшості випадків не перевищував доби, із шпуровими, які відповідають природнім, було доведено, що вони можуть використовуватись для визначення геотермічного градієнту (Усенко,1997).

В роботі узагальнено результати більш ніж 4500 вимірювань теплопровідності. Значення теплопровідності для кожної групи порід були прийняті для Донбасу вцілому. Вплив зміни ступеню катагенетичних перетворень у межах інтервалів розрахунку градієнту було оцінено як незначний і доведено, що навіть у разі його існування він майже не спричинить впливу на значення ТП. Теплопровідність суміші аргілітів та алевролітів  була прийнята рівною 1.8 Вт/м×°С, пісковиків — 2.6 Вт/м×°С, вапняків — 2.2 Вт/м×°С.

В кожному випадку теплопровідність розраховувалась як ефективна по інтервалу (до забоя) з урахуванням потужності верств порід різного складу. Для деяких районів значення теплопровідності розраховувались окремо для кожної свердловини, в інших були відокремлені ділянки, на яких коливання значень не перевищують декілька сотих Вт/м×°С. У випадку незначних змін в стратиграфічному розрізі в межах району використовувалось єдине значення для свердловин однакової глибини.

Крім того, було враховано вплив умов залягання на крилах Головної та Дружковсько-Констянтинівської антиклиналей (кут падіння порід різної теплопровідності становить 45-65 °).

В тих районах, де карбонові породи перекриті шаром нелітифікованих осадових порід мезозойського та кайнозойського віку, враховувався їх вклад в загальну теплопровідність. Теплопровідність частково хемогенних відкладень пермського віку, які розвинуті лише в межах Кальміус-Торецької та Бахмутської котловин, дорівнює 2.4 Вт/м×°С, а порід мезозойського та кайнозойського віку, які на більшості території розповсюдження мають незначну (до 150 м) потужність, — 1.65 Вт/м×°С (Бабаєв, Будимка, Сергєєва та ін.,1987).

Необхідним виявилося введення поправок за кліматичні зміни впродовж тривалого часу, та за структурний ефект на Головній і Дружковсько-Констянтинівській антиклиналях, який створює підвищення ТП завдяки значно більшій теплопровідності на цих структурах. Поправки було введено автором за вже існуючими методиками (Гордієнко, Завгородня, 1997, Бахова, 1996).

Загальна помилка вимірювань визначена порівнянням отриманних результатів із наведеними в роботі Р.І.Кутаса та М.І. Бевзюка (1992). В 68% випадків вони відрізняються на ±5 мВт/м2. Таким чином, помилка вимірів досягає 7%.

На підставі виконаних розрахунків було створено карту ТП української частини промислового Донбасу (по даним обчислень в 4300 пунктах, які додано до вже існуючих 350 значень), детальність якої набагато вища за всі існуючі карти ТП (Гордієнко, Завгородня, Усенко, 1999). Достатньо сказати, що Банк даних по ТП Європи налічує усього 3500 значень (Чермак,1998).

Фоновим значенням прийнято 48 мВт/м2. Такі значення (± 3-5 мВт/м2) розповсюджені в межах Бахмутської та Кальміус-Торецької котловин та на більшій частині сходу українського Донбасу від Нагольного кряжу до Північної зони дрібної складчастості. Підвищені порівняно з фоновими значення ТП в межах Північної зони дрібної складчастості та на схилі Воронежського кристалічного масиву, де середнім є значення 58 мВт/м2. Максимальним ТП вирізняються Головна та Дружковсько-Костянтинівська антиклиналі, південно-західна та південна частини Донецького басейну, де статистичне середнє значення становить 63 мВт/м2. При наявності досить щільної мережі вимірювань стало очевидним, що аномалії ТП співпадають із зонами глибинних розломів і досягають максимуму в місцях перехрещення розломів різних напрямів (до 98 мВт/м2). Ці прирозломні аномалії мають незначну ширину та велику протяжність. Негативними (38-39 мВт/м2) значеннями відмічено північну ділянку Єланчик-Ровеньківського глибинного розлому.

Глава 3. Аналіз значень ТП Донбасу.

Інтерпретацію одержаних експериментальних даних проведено з метою виділення складових спостережуваного ТП. Поперше обчислена його частина, що обумовлена радіоактивним розпадом в корі та мантії. Мантійна складова в регіонах, здібних до активізації, дорівнює 22 мВт/м2 (Гордієнко,1998). Розрахунок ТП, який генерує кора, проводився по профілях ГСЗ (Ільченко,Степаненко,1998). В консолідованій частині кори ТГ була розрахована по швидкості подовжніх сейсмічних хвиль (ТГ=1.35exp1.5(Vp-6)), при врахуванні відмінності глибинних Т від фонових. В межах осадового шару було використано вираз: ТГ=(0.624-0.1Vp)exp(0.638+0.0077Т-5.10-6Т2), а також залежність ТГ від щільності порід — ТГ=(2.14-0.75σ)exp(0.638+0.0077Т-5.10-6Т2) (Гордієнко,1998). Після врахування потужностей шарів, які складають кору в межах Донбасу, виявилося, що кора генерує 24-25 мВт/м2. Таким чином, значення радіогенної складової — 46-47 мВт/м2. 

Аномальний потік, пов`язаний з герцинським геосинклинальним процесом, було розраховано згідно АПГ. Методіка розрахунків складової, що пов'язана з активізаціями розроблена В.В.Гордієнко (Гордієнко, Завгородня, Якобі, 1982; Гордієнко, 1998). Доля “герцинської складової“ дуже незначна — 2 мВт/м2.

Кимерійська та ларамійська активізації проходять на зразок рифтової, але обмежені підйомом тільки одного астеноліту безпосередньо під кору, з подальшим утворенням в ній розплавлених зон. Розрахунки довели, що вони не можуть бути проявлені в сучасному ТП.

Таким чином, ТП Донбасу повинен відповідати сумі ТП радіогенної складової (що внаслідок значного розвитку осадових утворень з більш високою теплогенерацією дещо перевищує фон платформи) та ефекту герцинської активізації — 48-49 мВт/м2. Ці значення і фіксуються на значній території басейну за даними вимірювань.

Сучасній активізації притаманні вузькі аномалії ТП значної інтенсивності — 75-98 мВт/м2. В місцях існування декількох розломів близького напрямку (наприклад, на заході басейну) аномалії поєднуються, створюючи поля, де ТП підвищено в середньому до 60-65 мВт/м2, з вузькими внутрішніми зонами максимальних значень, які розміщуються впродовж глибинних розломів. Максимальні значення фіксуються в місцях перетину розломів різного напрямку.

Детально вивчались аномалії, що розташовані в межах Никитівського рудного поля (Головна антикліналь). Задля уникнення можливості помилки при виборі об`єкту, який здатен створювати подібну аномалію, було розглянуто 3 варіанти можливих джерел тепла: радіогенний, інтрузивний та гідротермальний. В першому випадку це повинно бути тіло, складене породами, здатними до ТГ, яка в десятки та сотні разів перевищуює всі відомі в межах кори, та розташоване на глибині 2.5 км. В другому це магматична дайка, вік якої не перевищує перші десятки тисяч років, а аномальна температура становить 1000°С, з такою ж глибиною залягання, як і в першому випадку. На ділянці Никитівського рудного поля, де існують свердловини, глибина яких перевищує вказані, подібні утворення відсутні.

Аналіз гідротермального джерела тепла проведено по методіці, розробленій В.В.Гордієнко для кимерійського етапу активізації (Олександров, Гордієнко, Деревська, та ін., 1996), як підбір інтенсивності адвекції, яка б пояснювала існуючий розподіл аномальних ТП. Було розраховано, що на сучасному етапі підвищення аномальних Т над фоновими становить 4-5°С на глибинах 1-4 км; на глибині 5 км — 15 °С. На покрівлі інтрузивного тіла, розташованій на глибині 6-7 км, Т перевищує фонову усього на 100 °С (аномальна Т на час вторгнення становить 530°С).

Звертає на себе увагу той факт, що гідротермальна діяльність поновлюється на одному й тому ж місці. В періоди поновлення тектоничної активності зона, яка розташована над глибинним розломом, є найбільш рухливою, що сприяє підйому магматичних розплавів та утворенню в осадовій товщі зон зі зв`язаною пористістю, які є флюїдопроникними. Таким чином сучасне підвищення ТП може бути пошуковою ознакою.

Чинником інтрузивних вторгнень на глибини 6-7 км може бути лише активний процес в мантії. Для пояснення відсутності прояву кондуктивної складової прогріву в сучасному ТП, вік мантійного процесу прийнято — приблизно 5 млн. років, вік вторгнень в нижню частину кори — 500 тис. років, в верхню — 100, інтрузій під зонами конвекції — 35. Зона часткового плавлення в корі розвинута в межах розміщення порід амфіболітової фації, Т плавлення для яких встановлює 600 °С. Її нижня межа визначається по значенням продовжних сейсмічних хвиль 6.6-6.8 м/с. В мантії Т солідуса піроліта перевищені на глибинах 50-90 км.

Глава 4. Глибинні процеси в тектоносфері Донбасу.

В главі розглянуто протікання геосинклінального процесу в Донбасі згідно АПГ (в розрахунок вкладено розмір території та час від початку процесу). Далі проведено зіставлення подій, передбачуваних згідно АПГ (Гордієнко, 1998) та зафіксованих в геологічній будові та історії розвитку, а також подій, що відбувалися під час кімерійського та сучасного етапів тектоничной активності.

В надрах геосинкліналі (приблизно 390 млн.років назад) на глибинах 220-480 км Т перевищують Т солідусу мантійного піроліту, утворюючи шар частково розплавлених порід. Надалі відбувається послідовний підйом астенолітів, спочатку до глибини 150-160 км, через приблизно 60 млн. років до глибини 100-110 км. Підйом третього астеноліту здійснюється до “корових” глибин — 40-100 км.

Заглиблення кристалічного фундаменту обумовлено процесами поліморфних перетворень під астеносферним шаром (на глибині 480-500 км) під час підйому перших двох астенолітів. Процеси, які призводять до підйому поверхні, пов`язані з підвищенням Т в верхній частині тектоносфери та розширенням порід. В цьому ж напрямку діє і різниця в густині розплаву. Максимальним підйом території буде на заключному етапі та супроводжуватиметься складкоутворенням (Гордієнко,1998).

Таким чином, згідно АПГ, весь процес розпадається на чотири етапи, три з яких повинні проявитися в зміні глибин магмовідділення (магматичних осередків), наслідком чого буде зміна петрографічних та мінералогічних особливостей магматичних утворень, а також швидкості занурення кристалічного фундаменту та, відповідно, швидкості накопичення осадових порід.

Автором було розглянуто склад магматичних комплексів Донецького басейну (Бутурлінов,1975; Лазаренко, Панов, Груба, 1975). По змінам іх мінералогічного та петрохімічного складу виділено групи, які відносяться до різних етапів магматичної діяльності, та приблизно оцінено глибини магмовідділення.

До першої групи віднесено магматичні породи Приазовського та Волновахсько-Єланчицького комплексів. Т кристалізації першого оцінені по гомогенізації газово-рідинних вкраплень в аналогічних утвореннях. Вони становлять 1450-1480°С (Єрмаков, Долгов, 1979). Враховуючи адіабатичний градієнт, ми отримаємо перетинання кривої солідусу мантійного піроліту на глибині 160-170 км.

Друга група об`єднує утворення Покрово-Киреєвського комплексу та толеїтові базальти. Для першого з них Т кристалізації оцінені тим же чином. Вони дорівнюють 1350-1380 °С, що, з врахуванням адіабатичного градієнту, відповідає глибинам перетинання кривої солідусу на 100-110 км.

До третьої групи віднесено породи Південно-Донбаського та андезіт-трахіандезітового комплексів, які по часу прояву попереджують та супроводжують складкоутворення. Петрографічні та мінералогічні особливості дозволяють стверджувати, що глибина магмовідділення для перших знаходиться поблизу розділу кора-мантія, а для других — безпосередньо в межах верхньої частини кори.

Розгляд геохімічної спеціалізації усіх комплексів що відносяться до герцинського етапу активізації (значне підвищення вмісту Ti, Zn, Ba, Sr, U, та ін., при зниженні Cr, Co) дозволяє стверджувати, що вони утворені з єдиного родоначального розплаву, що змінювався внаслідок асиміляції речовини на різних інтервалах глибин.

По потужностям осадових  порід, що накопичено за певний інтервал часу на окремих  ділянках басейну (Ротай, Нєстєренко, Стерлін та ін.,1963), було розраховано зміну швидкостей осадконакопичення. Різка зміна відбувається на ділянці часу між турнейським та візейським віками. Наприклад, в районі г.Горлівка швидкості осадконакопичення змінюються з 25 м за 1млн.років до 260 , Чистяково — з 35 до 325; Донецьку — з 35 до 240; Луганську — з 15 до 110. Впродовж середнього карбону швидкості осадконакопичення в південно-західній та центральній частині Донбасу залишаються приблизно такими ж, а на сході продовжують незначно збільшуватись та поступово спадають в піздньому карбоні, досягаючи приблизно тих самих значень, що й у візейський вік. В раннєпермський час прогинання змінюється підйомом.

Поява значних мас розплавленої речовинни безпосередньо в межах кори призвела до значного підвищення геотермічного градієнту того часу та, внаслідок, катагенетичних змін осадових порід на регіональному рівні. Максимальним палеогеотермічний градієнт в межах Донбасу був напередодні складкоутворення та підйому території. Шкала метаморфізму вугілля була розроблена І.І.Аммосовим та І.В.Єреминим (1987 г.), а потужності розвитку зон вугілля кожної марки для Донбасу в цілому — М.Л.Левенштейном (1963 г.). Залежнність цих факторів одного від іншого є лінійною і відповідає геотермічному градієнту на перших 10 км від поверхні — 35°С на 1км, що співпадає з розрахунком.

Вивчення розміщення марок вугілля на реальних розтинах різних частин Донбасу (Левенштейн, Спіріна, Носова та ін., 1985-1990) дозволяє встановити підвищення градієнту з півночі на південь та з заходу на схід. В цьому ж напрямку збільшується потужність герцинського осадового шару та, вірогідно, інтенсивність прояву процесу взагалі.

Використання палеогеотермічного градієнту дозволило авторові реконструювати рівень ерозійного зрізу. Максимальний рівень ерозійного зрізу встановлено на ділянці Нагольного Кряжу (5-6 км). В північному напрямку відбувається його поступове зменшення: впродовж Північної зони глибинних розломів — 3.5-4 км, на стику з Воронежським кристаличним масивом — 2.5-3 км. На південь та захід значення змінюються стрибками в зонах перетину глибинних розломів. Так, на північ від Мушкетівсько-Персианівського розлому вони становлять 5 км, на південь — 4 км, та далі збільшується до 4.5 на північному борті басейну. Ще значніші зміни відбувається при перетинанні Волновахсько-Чернухінського розлому (від 1.7-2.7 до 4-4.5 км). З наведеного стає очевидним, що підйом відбувався диферинційовано, блоками, відокремленими проміж собою зонами глибинних розломів. Впродовж обох періодів тектонічної активності на ділянці Нагольного кряжу та ділянках,·що безпосередньо до неї прилягають, підйом перевищував опускання. Ця тенденція в герцинський час проявлена на всій території, що вивчалася. В кимерійську та ларамійську епохи тектонічної активності на північно-західній ділянці басейну (Бахмутська та Кальміус-Торецька котловини), а також в північній та південно-східній частинах басейну, переважало опускання території.

Далі розглянуто наслідки кимерійського етапу активізації.  Петрографічні та мінералогічні особливості порід Міуського комплексу лампрофірів вказують, що їх утворено з глибинної мантійної речовини, збагаченої Na2O, K2O, Al2O3 та ін., що буде при змішуванні глибинної мантійної та корової речовини. Це можливо пояснити підйомом мантійного астеноліту з глибин 200-400 км безпосередньо під кору та появою в корі зон часткового плавління внаслідок подальших вторгнень. Наступним проявом кимерійської активізацїї є гідротермальна діяльність в проникних зонах над магматичними тілами. Її поява пов'язана з прогрівом та плавлінням порід амфіболітової фації та вторгненням кислої (чи середньої) магми в осадову товщу по зонах глибинних розломів. Ці факти дозволили збудувати модель активізації, що проходить по зразку рифтової (Гордієнко, 1998), але обмежена підйомом тільки одного астеноліту безпосередньо під кору. Наявність зв'язку метасоматичного та гідротермального процесів з мантійною речовиною фіксується в хімічному складі кимерійських метасоматичних утворень (Шумлянський, 1983), а зв'язок з магматичними тілами зафіксовано в ізотопному складі  свинцю (Лазаренко, Панов, Павлішин, 1975), а також кисню в гідротермальних утвореннях (Шумлянський, 1983).

Наявність сучасної активізації в першу чергу фіксується в загальному підйомі території на 150-200 за останні 5 млн. років (Палієнко,1992).

Сучасний активний процес поблизу поверхні проявлено також в гідротермальній діяльності, а наявність в гідрокарбонатно-натрових водах, що підіймаються по флюїдопроникних зонах H2, N2, CO2, B, Hg, характеризує їх як глибинні (Лукін,1997).

На протязі кількох років за участю автора визначались допоміжні критерії оцінки зон сучасної активізації. Одним з достовірних було визнано ізотопний склад гелію газів, розчинених в підземних водах. Було встановлено фонові (3Не/4Не= (2.0-2.5)*10-8) та аномальні (більші за        6.5*10-8) значення в межах України за даними вже існуючих вимірів, проведено розрахунки відношення 3Не/4Не в корі та мантії з метою визначення "постачальника" легкого ізотопу (Гордієнко, Завгородня, Тарасов, Усенко, 1996). Було доказано, що підвищення відношення 3Не/4Не при обов'язковому врахуванні додаткових факторів (відсутність аномальних концентрацій літію в породах досліджуваного района, відсутність забруднення Не атмосфери та ін.), можно інтерпретувати як привнесення мантійної речовини. Дані, отримані в межах досліджуваної території встановлюють 9.5*10-8; (8-16)*10-8 на стику Дніпровсько-Донецької западини та 12*10-8 в південно-західній частині басейну (Тарасов,1999). Аномальні значення фіксуються над зонами глибинних розломів, в місцях їх відсутності зачення дещо вищі за фонові (3.7-6.1*10-8). Ці факти дозволяють припустити, що сучасний активний процес пов'язаний з активізацією, що починається в мантії і проходить як і кимерійська.  

Контроль сучасного глибинного процесу проведено також з залученням методів глибинної геофізики. Для цього використано результати побудови квазітрьохвимірної моделі (Кулік, Бурахович, 1999). Поява зони часткового плавління в межах кори відбиваєся в зниженні питомого електричного опору порід. Розрахунки гравітаційного ефекту кори (Гордієнко,1999) довели, що розраховане поле для випадку нормальної щільності порід мантії (нормальних фонових Т) в центральній частині регіону на 40-50 мГл вище за спостережуване. Врахування об`єктів з аномальною щільністю в мантії зрівнює розраховане та спостережуване поля. Надана теплова модель повинна проявитися і в магнітному полі як відсутність джерел регіональних магнітних аномалій. Схема розміщення джерел регіональних магнітних аномалій підтверджує цей прогноз (Орлюк, Пашкевич, 1996).

Глава 5. Геосинклинальний процес та склад мантії Донбасу напередодні герцинської активізації.

Результати реконструювання тектонічних процесів, отримані в попередніх главах, свідчать про те, що, незалежно від маштабу прояву активізації на поверхні, її чинником є зміна температурних умов в мантії на значних глибинах, а наслідком — перерозподіл речовини в межах усього задіяного інтервалу глибин з виносом елементів, некогерентних для мантії, в верхні шари кори.

Активний процес починається з незначного перевищення Т солідусу мантійного піроліту в інтервалі глибин, де для цього існує можливість (низи верхньої мантії) (Гордієнко,1998) . З іншого боку, можливість та швидкість протікання усіх процесів (адвекції та концентрації у покрівлі астеносфери розплавленої речовини, появи та наростання різниці в щільності астеносфери та покриваючої її літосферної плити та інші) мають залежність від долі розплавленої речовини в астеносферному шарі. Остання може бути підвищена, якщо в мінералогічному складі присутні відносно легкоплавкі мінерали.

Наявність клинопіроксенів (тітан-агіту) та відсутність ортопіроксенів в складі ксенолітів свідчить, що після становлення мантії Донбасу як мантії платформеного регіону (на що вказує відсутність піроксен-шпінелевої фації (Добрєцов,1980)) на неї було накладено процеси, які призвели до значних змін в її складі. Вивчення взаємовідношень між мінералами (Геншафт, Поляков, Кисельов,  Семенова, Соловйова та ін., 1984 ) призвело до висновку, що поява подібних мінеральних парагенезисів (які є досить стандартними навіть для різних регіонів) є наслідком розвитку метасоматичного процесу в межах верхньої мантії, проява якого призводить до збагачення мантійного субстрату мінералами, плавління яких починається в першу чергу, відбувається найбільш інтенсивно, та які виявляються постачальниками петрогенних та, особливо, рідких елементів в базальтові виплавки. Внаслідок протікання метасоматичних процесів утвориться мантія, гетерогенна в межах окремих блоків, де на тлі деплетованого лерцолітового субстрату будуть розташовані збагачені некогерентними елементами ділянки піроксенітового та верлітового складу.

В наступному розділі на прикладі магматичних комплексів автором встановлено зміни складу мантії безпосередньо Донбасу по вертикалі.

1. Породи Приазовського комплексу утворені з речовини, яка знаходилась в мантії на глибинах більших за 200 км, а контамінація речовини з глибин 200-150 км та вище, незначна.

Велику роль відіграє двуокис вуглецю, який знаходиться тут в вигляді високощільних включень та добре розчиняється в ультраосновному розплаві, не призводячи до різкої зміни його в`язкості, що надає йому змогу до захвату та виносу ксенолітів. При зниженні тиску під час швидкого підйому по магмопроникним зонам, частина СО2 відокремлюється, що призводить до експлозивного характеру вивержень, інша частина пов`язується з катіонами та утворює карбонатну масу.

Таким чином утворюються кімберліти.

2. Надалі магма асимілює речовину, яка знаходилася в інтервалі глибин 200-140 км та вже вміщує мінерали-концентратори води, кількість якої ще дуже незначна, та лужних елементів — флогопіт та керсутіт, що призводить до появі в її складі їх значних кількостей, а також галогенів. Вони приєднуються до двуокису вуглецю та аніонних комплексів, що вміщують фосфор та сірку, притаманні кимберлитовій магмі.

З таких магм утворюються лужні базальти. Глибина магмовідділення їх така ж як і в кімберлитів, але в них присутня речовина з меньших глибин, що змінює хімічний склад та фізичні властивості розплаву (знижує в`язкість). Великі об`єми речовини повільно підіймаються до поверхні. 

3. Дуже різка зміна якостей відбувається в толеїтовому розплаві, глибина магмовідділення якого знаходиться на межі 100-110 км, а склад поєднує особливості попередніх утворень (наприклад, особливості вмісту рідких та розсіяних елементів), а також набуває нові внаслідок асіміляції речовини інтервалу 150-90 км. Різко підвищується вміст води, галогенів, кремнєкислоти та кремнезему. Усі ці фактори призводять до зниження в`язкості розплаву та підвищення його агресивності. Знижується вміст або роль двуокису вуглецю. Поява польових шпатів свідчить про перетнення межі їх існування в мантійному субстраті.

4. Велика кількість в усіх мантійних утвореннях клинопіроксенів (авгіту, тітан-авгіту, егірін-авгіту), амфіболів (керсутіту), флогопіту, а також апатіту, ільменіту та ін., поява в мінеральному складі толеїтових магм разом з цими мінералами ксенотіму, турмаліну, берилліту, ринколіту та інших мінералів, що концентрують рідкі та розсіяні елементи, свідчить про метасоматичну переробку мантійного субстрату вздовж всього інтервалу глибин.

На підставі матеріалу, наведеного в роботі, та обчислень можливості виникнення активного процесу на прикладі геологічної історії Донбасу від девону до сучасності, зроблено висновки, що кожна виникаюча активізація зароджується на глибинах 200-400 км і процес іде в межах усієї тектоносфери, хоча приповерхневі його прояви можуть бути незначні і призводити до появи гідротерм, температура яких перевищена безпосередньо у поверхні лише на 4-5°С. Напередодні активізації процеси мантійного метасоматозу призводять до збагачення мантійного субстрату речовиною, що не є притаманною для мантії. Поява в мантійному складі цієї речовини призводить до зниження температури солідусу, і стає одним з чинників активізації. А одним з наслідків активного процесу, незалежно від його маштабу, є винесення з мантії некогерентних сполук, елементів та газово-флюїдної фази до денної поверхні.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

1. На підставі визначеннь ТП в 4300 свердловинах Донецького басейну збудовано детальну карту ТП української частини промислового Донбасу.
2. Визначено фонове значення ТП регіона, яке дорівнює 48-49 мВт/м2.
3. Виявлено аномалії ТП, які розташовані над розломами кристалічного фундаменту басейну. В осадовій товщі над розломами знаходяться магмо- та флюїдопроникні зони, що починають функціонувати в періоди тектонічної активності. Це дозволяє пов'язувати сучасні аномалії з процесами конвективного перерозподілу тепла в межах магматичної та гідротермальної діяльності.
4. Побудовано глибинну теплову модель кори та верхніх горизонтів мантії регіону. Вона узгоджена з геологічними та геофізичними даними. Наявність в корі регіону верстви часткового плавління, що фіксується в геофізичних полях, пов'язана з процесом, що починається в мантії на глибинах 200-400 км.
5. Показано, що подібна активізація відбувалась в Донбасі під час киммерійського етапу тектонічної активності. Вона проходить по зразку рифтової, але обмежена підйомом одного астеноліта безпосередньо під кору.
6. Детально розглянуто події, що відбувалися на різних етапах герцинського геосинклинального процесу, як то: зміна глибин магматичних осередків, зміна швидкості прогібання кристалічного фундаменту, палеогеотермічний градієнт напередодні інверсії.
7. Доказано, що події, які дійсно відбувалися в межах герцинського етапу активізації не протиречать подіям, що закладено в розрахунок перерозподілу тепла по АПГ (Гордієнко, 1998).
8. Висунуто гіпотезу про вплив складу мантії та його еволюції на можливість активних процесів та їх протікання. Розглянуто мінералогічний склад мантії в межах Донбасу напаредодні герцинського процесу.

ОСНОВНІ МАТЕРІАЛИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ У РОБОТАХ:

1. Гордиенко В.В., Завгородняя О.В., Тарасов В.Н., Усенко О.В. Изотопный состав гелия в породах и природных газах территории Украины // Геофиз.журн.,- 1996,- №4,- С.24-36.
2. Гордиенко В.В., Завгородняя О.В., Усенко О.В. Тепловой поток Донецкого бассейна // Геофиз. журн., -1999 - № 1,- С.127-130.
3. Беличенко П.В., Гинтов О.Б., Гордиенко В.В., Усенко О.В. и др.  Основные этапы  развития Ольховатско-Волынцевской антиклинали Донбаса в связи с ее рудоносностью.//  Геофиз. журн.,1999, -№2, -С.69-84.
4. Гордиенко В.В., Гордиенко И.В.,Завгородняя О.В., Тарасов В.Н., Усенко О.В. Коровые температуры территории Украины // Труды междунар. конф. "Глубинное строение литосферы и нетрадиционное использование недр".-К.,1996.-С.145-148.
5. Усенко  О.В. Температуры на забое в скважинах Донбасса // Тепловое поле Земли и методы его изучения.- М.: РУДН, 1997. - С.157-158..
6. Гордиенко И.В., Усенко О.В. Тепловой поток и месторождения золота на Украине // Тепловое поле Земли и методы его изучения.- М.: РУДН, 1997. - С.184-186.
7. Usenko O.V., Gordienko V.V., Gordienko I.V. at al. The heat flow of the Donets basin // The Earth`s thermal field and related reserch methods. - M.: RUFH. -1998. -P.266-267.
8. Tarasov V.N., Gordienko V.V., Zavgorodnyaya O.V. Usenko O.V., Helium isotopes and terrestrial heat flow in the Ukrain // The Earth`s thermal field and related reserch methods. - M.: RUFH. -1998. -P.266-267.

Анотація

Усенко О.В. Тепловий потік та глибинні процеси в тектоносфері Донбасу.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22. — Геофізика.- Інститут геофізики НАН України, Київ, 1999.

В дисертації підведено підсумки багаторічної роботи в Донецькому басейні, де виконанi детальні дослідження теплового потоку. Встановлено фон та виявлено аномалії, які проінтерпретовано. Побудовано теплову модель кори та верхніх шарів мантії. Цю модель було порівняно із існуючими даними сейсмології, гравіметрії, магнітометрії, гидрогеохімії, ізотопії гелію та новітніх та сучасних рухів поверхні Землі.

Розглянуто історію глибинних процесів та теплового поля регіону та проведено її зіставлення з реальними геологічними подіями, що зафіксовано в будові регіону. Зведено дані із стратиграфії, тектоніки, результати, отримані за допомогою петрографічних, мінералогічних та геохімічних методів.

На підставі розгляду мінералогічного складу мантійних ксенолітів та геохімічного складу магматичних утворень доведено специфічність складу мантії напередодні герцинської активізації та виказано гипотезу впливу складу мантії на можливисть та протікання процесів активізації.

Ключові слова: тепловий потік, аномалія теплового потоку, Донбасс, глибинна теплова модель, гідротермальна діяльність, мантійний метасоматоз, верхня мантія.

Аннотация

Усенко О.В. Тепловой поток и глубинные процессы в тектоносфере Донбасса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.22. — Геофизика.- Институт геофизики НАН Украины, Киев, 1998.

В дисертации подведены итоги многолетней работы в Донецком бассейне, где проведены детальные исследования теплового потока (ТП). До настоящего времени в геосинклинальных регионах (в том числе и в Донбассе) такой анализ сдерживался очень редкой сетью наблюдений ТП и многочисленными приповерхностными искажениями его значений. Для ДБ собрано большое количество замеров температур на забоях скважин, что позволило создать карту ТП необычайной плотности, уверенно определить фон и очертить аномалии.

Для определения современного ТП в каждой точке измерений рассчитывались геотермический градиент и теплопроводность, вводились поправки, нивелирующие приповерхностные искажения ТП.

На карте ТП, построенной по результатам 4300 новых и 350 уже существовавших значеений, выделяются 3 зоны: низких значений (48-49 мВт/м2),средних значений (58 мВт/м2), высоких значений (63 мВт/м2).

Проведен анализ величин теплового потока Донбасса. Определена радиогенная составляющая, связанная с радиоактивным распадом в коре и мантии. Она равна 46-47 мВт/м2. Герцинская составляющая была рассчитана для процесса протекающего по схеме, основанной на адвекционно-полиморфной гипотезе, и для процесса, закончившегося 250 млн. лет назад, оказалась равной 2мВт/м2. Расчеты, проведенные для киммерийской и ларамийской составляющих показали, что их вклад в современный ТП пренебрежимо мал.

Проинтерпретированы аномалии, связаные с переносом вещества и тепла в мантии и коре, простроена тепловая модель коры и верхних горизонтов мантии по аналогии с моделями киммерийского этапа, проявившегося в гидротермальной активности аналогичной современной, и современной активизации на западе Украины и в Молдове. Современная тепловая модель коры и верхней мантии Донбасса была сопоставлена с существующими данными сейсмологии, гравиметрии, магнитометрии, гидрогеохимии, изотопии гелия, новейших и современных движений поверхности Земли.

Рассмотрена история глубинных процессов и теплового поля региона герцинского геосинклинального этапа, согласно событиям, предполагаемым на основании адвекционно-полиморфной гипотезы, проведено их сопоставление с реальными геологическими событиями, которые зафиксированы в строении региона. Рассмотрены данные стратиграфии, тектоники, результаты, полученные на основании изучения уже имеющихся данных, полученных с помощью петрографических, минералогических та геохимических методов. Определен палеогеотермический градиент, существовавший в Донбассе накануне инверсии (в нижней перми) и уровень эрозионного среза герцинского структурного этажа. Весь комплекс полученных результатов соответствует расчетным.

Минералогический состав мантийных ксенолитов и химический состав магматических образований указывает на специфику состава мантии накануне герцинской активизации, что позволило высказать гипотезу о влиянии состава мантии на возможность та протекание активных процессов. Кроме того, показано, что любая активизация незавмсимо от ее масштабов, предваряется метасоматическими процессами в мантии с привносом некогерентных элементов и соединений; в ее процессе происходит вынос нехарактерного для мантии вещества, с образованием лерцолитового (перидотитового) остатка. Таким образом, активизация предваряется и сопровождается процессами пререноса и дифференциации вещества в мантии и коре.

Ключевые слова: тепловой поток, аномалия теплового потока, Донбасс, глубинная тепловая модель, гидротермальная деятельность, мантийный метасоматоз верхняя мантия.

Неаt Flow and Deep Processes in the Tectonosphere of the Donbas.-Manuscript.

Thesis for a candidat’s degree by a speciality 04.00.22 - geophysics.- Institute of Geophysics of National Academy of Sciences of the Ukraine, Kyiv, 1998.

The thesis reviews the results of many years work performed in the Donets basin where detailed heat flow (HF) studies were made. The HF background value was calculated and HF anomalies were revealed and interpreted, crust and upper layers mantle models were set up.

The history of development of the deep processes and thermal field of the region was considered and compared to the real geological events, which are reflected in the structure of the region. The stratigrafic and tectonical data were generalized and analysed, the petrographical, mineralogical and geochemical data were generalized.

On the basis of the analysis of the mineralogical composition of the xenoliths and geochemical content of magmatic formations the specificity of the mantle composition on the eve of the Hercynian activization was substantiated and a hipothesis the influence of  mantle composition on probability of active processes was expressed.

Key words: heat flow, heat flow anomaly, the Donbas, deep thermal model, hidrotermal activity, mantle methasomathos, upper mantle.