CC BY
65
УДК 550.837.6
ВЫЯВЛЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ГИДРОТЕРМАЛЬНОГО УРОЧИЩА ПЫМВАШОР (ГРЯДА ЧЕРНЫШЕВА) МЕТОДОМ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ
Ю.Г. ШВАРЦМАН*, С.А. ИГЛОВСКИЙ**, Д.П. ГОРШКОВ**
*Северный (Арктический) Федеральный университет, г. Архангельск **Институт экологических проблем Севера УрО РАН, г. Архангельск [email protected] [email protected]
Приведены результаты георадиолокационных работ, впервые выполненных для изучения гидрогеологических условий и подповерхностного залегания пород в гидротермальном урочище Пымвашор (гряда Чернышева). Полученные материалы сопоставлены с имеющимися данными по тектонике и геотермии гряды Чернышева и сопредельных территорий. Авторами выявлены вертикальные зоны раздробленности и обводненности подстилающих пород ландшафтов, по которым поднимаются термальные воды.
Ключевые слова: Большеземельская тундра, гряда Чернышева, гидротермальные источники, геологическое строение, георадиолокация
YU.G.SHVARTSMAN, S.A.IGLOVSKY, D.P.GORSHKOV. REVEALING OF HYDROGEOLOGICAL PARTICULARITIES OF PYMVASHOR HYDROTHERMAL SPRING (CHERNYSHEV RIDGE) BY GPR
The results of GPR work performed for the first time to study the hydrogeological conditions and substrate bedding of rocks in Pymvashor hydrothermal spring (Chernyshev Ridge) are presented. The materials obtained are compared with the available data on the tectonics and geothermal conditions of Chernyshev Ridge and adjacent areas. The authors identified vertical zones of fragmentation and water encroachment of landscape bedrocks by which the thermal waters rise.
Key words: Bolshezemelskaya tundra, Chernyshev ridge, hydrothermal spring, geological structure, GPR
Введение
Существенное внимание исследователи уделяют локальным районам, находящимся под влиянием азональных географических факторов. Одним из таких факторов является разгрузка термальных вод, формирующая на земной поверхности водотоки с повышенной температурой воды - горячие источники и образующиеся от них ручьи. В пределах материковой части Северной Европы одним из немногих гидротермальных проявлений являются горячие источники Пымвашор на востоке Большезе-мельской тундры (67°09' с.ш., 60°51' в.д.) (рис. 1). Эти источники располагаются в труднодоступном районе, удаленном от населенных пунктов, где в слабонарушенном состоянии сохранилось гидротермальное урочище. Источники исследовались с середины XIX в. При участии авторов данной статьи в 2011 г. вышла коллективная монография «Функционирование субарктической гидротермальной экосистемы в зимний период» [1]. После ее издания авторы приняли участие в новых летней и зимней экспедициях в урочище Пымвашор, материалы которых послужили основой данной статьи.
При применении метода георадиолокации в урочище Пымвашор появилась возможность выделить структурные нарушения в подстилающих породах в зоне разгрузки термальных вод, а также описать типичные для урочища георадиолокационые разрезы до глубины 35 м. Подобные геолого-геофизические исследования ранее не проводились.
Объект и методика исследований
Термальные источники Пымвашор принадлежат к бассейну р. Адзьвы - правого притока р. Усы. В геологическом плане район исследований относится к активной складчатой структуре - гряде Чернышева. В гипсометрическом отношении гряда представляет собой пологий увал протяженностью до 300 км с абсолютными высотами до 200 м. В основании гряда Чернышева сложена складчатыми породами палеозоя, преимущественно известняками и песчаниками. Поверхность гряды платообразная.
Определено, что ядром урочища является ручей Пымвашор, который окаймляют последовательно фация кустарников, луговая фация, фация еловых редин и, наконец, границей урочища можно
Рис. 1. Географическое положение урочища Пымвашор и расположение георадиолокационных профилей: №1 - по горячим источникам; №2 - на склоне над горячими источниками.
считать скальные обнажения и крутые склоны, выходящие на водораздельную тундру [2].
При изучении структуры подстилающих пород ландшафтов использовался георадар SIR - 3000 (GSSI, США). Основной задачей полевых работ, которые проводились в октябре 2009, августе 2010 и декабре 2011 гг. было определение зон разломов, по которым поднимаются воды, а также специфики влияния термальных источников на породы зимой. Нами выбраны георадиолокационные низкочастотные экранированные антенны Subecho-40 (40 МГц), Subecho-70 (70 МГц) (Geoscanners, Швеция). Они корректно функционируют до глубин 35 и 25 м соответственно и устанавливаются на специальной тележке, снабженной одометром, что позволило корректно определить протяженность георадиолокационных профилей. Постобработка данных проводилась в комплексе Radan 6.5 (GSSI, USA) с применением методов деконволюции и преобразования Гильберта.
Целью георадиолокации является определение положения границ раздела или локальных объектов в изучаемых отложениях. При интерпретации
георадарограмм картина георазреза не всегда однозначна. В случае георадиолокационных измерений оси синфазности отраженных электромагнитных волн приурочены в основном к границам слоев с различной литологией. При выделении комплексов пород необходимо установить и проследить в их кровле и подошве несогласные границы [3, 4]. В исследуемых средах такими границами раздела могут являться контакт между сухими и влагонасыщенными комплексами и контакты между породами различного литологического состава и т.д. [3].
Геолого-геофизическое строение урочища Пымвашор и сопредельных территорий
Пымвашор расположен в северной части Ти-мано-Печорской плиты. Западно-Тиманский краевой шов отделяет Мезенскую синеклизу Русской плиты от Тимано-Печорской плиты. Фундамент Ти-мано-Печорской плиты сложен позднепротерозойскими осадочно-метаморфическими и магматическими породами.
Разломы кайнозойского возраста выделяются по геоморфологическим данным, дешифрированию космических снимков, материалам геологических съемок. Они установлены на всей территории бассейна. Среди них две группы. Первая - активизация древних разломов всех направлений, вторая - вне этих зон. Они имеют незначительные размеры и амплитуды смещений и развиты только в верхних горизонтах платформенного чехла. Их возникновение обусловлено ростом неотектонических структур, а также развитием локальных складкообразовательных движений на севере плиты в позднем мезозое-кайнозое.
Пересчет с карты наблюденного гравитационного поля в нижнее полупространство до глубины около 1 тыс. км показал, что породы Тимано-Пе-чорской плиты обладают повышенными и пониженными значениями плотности [5]. Предполагается, что плотные породы являются малопроницаемыми для глубинных горячих массопотоков, т.е. относительно холодными, а разуплотненные, проницаемые породы относительно более горячими. Карта температурного режима консолидированной коры плиты по данным Н.Ю. Цехановской показывает наличие холодных и горячих участков коры до поверхности Мохо [5]. Стабильно горячие участки располагаются в пределах Коротаихинской и Ко-сью-Роговской впадин. Степень соответствия температурных полей земной коры и мантии достигает 80 %. Относительно стабильные холодные и горячие участки прослеживаются на всю глубину разреза. По данным Н.В. Конановой [5], гряда Чернышева отмечается пониженными температурными характеристиками осадочного чехла, консолидированной части земной коры и образует горст, ограниченный с обеих сторон крупными сбросами. Гряда Чернышева представляет собой интенсивное неотектоническое поднятие [6]. Плотность глубинного теплового потока в центральной части Тимано-Печорской плиты достигает 50-60 мВт/м2, а в Пред-уральском прогибе не превышает 35-45 [7].
Источники Пымвашор находятся в пределах понижения рельефа местности на западной окраине гряды Чернышева. Понижение это имеет форму, близкую к прямоугольнику, вытянутому в северовосточном направлении, длиной до 8 км и шириной от 2,5 до 3 км. Абсолютные высоты рельефа на этом участке колеблются в пределах от 100 до 120 м, что ниже высот окружающей местности в среднем на 50 м. Внутри понижения рельефа выделяется узкое (от 0,5 до 1 км) линейное поднятие выходов известняков нижнего карбона длиной от 4 до 5 км. Именно на пересечении этого поднятия ручьем Пымвашор и находятся термальные источники. Скорее всего, участок этот представляет собой дизъюнктивный узел пересечения разломов северо-восточного и северо-западного направлений [1].
Источники приурочены к полосе развития нижнекаменноугольных известняков [8]. Всего их насчитывается 13 с различной температурой вод (максимально до 28,5°С). Воды источников слаботермальные, трещинно-пластовые и трещинно-жильные, высоконапорные, газируют.
Интерпретация георадарных профилей
На исследуемой территории авторами были выполнены 34 георадарных профиля с дублированием на разных глубинах и показателем диэлектрической проницаемости от 8 до 12 ед. через основные ландшафты (рис. 1). Два разреза приведены и анализируются в статье.
На рис. 2А представлен фрагмент георадио-локационного профиля № 1 с выделенными авторами литологическими горизонтами, на котором показанные точками границы разделяют влагонасыщенные светло-серые известняки, песчаники (верхняя часть профиля) от аргиллитов со слоистыми известняками. Хорошо выделяются обводненные зоны разгрузки термальных вод, их границы показаны сплошной линией в пределах вертикальных разломов, разрывающих эти зоны. По этим каналам, уходящим глубже 35 м, поднимаются термальные воды. Границы между литологическими подразделениями четкие.
На рис. 2Б - георадарограмма указанного профиля, обработанная методом деконволюции. Он служит для сжатия зондирующего импульса, с которым получена георадарограмма уменьшения его длительности, соответствующего снижению интервала на трассе, «закрытого» отраженной волной, и тем самым повышения возможности выделить на записи оси синфазности отраженных волн от близких границ или объектов [4]. Использование метода деконволюции усложняет интерпретацию профиля, так как значительное увлажнение территории при обработке данным методом считается кратными волнами, и интенсивность увлажнения на георадиолокационном профиле существенно снижается.
На рис. 2В показан георадиолокационный профиль №1 с выполненным преобразованием Гильберта. Данный вид математической обработки предназначен для преобразования каждой трассы в один из трех новых видов, которая сводится к тому, что трасса - действительная функция времени -представляется в виде комплексной функции со своими модулем и фазой. Вычисляются именно эти величины как функции времени и в дополнение к ним амплитуда Гильберт - преобразования как функция времени. Амплитуда Гильберт - преобразования соответствует огибающей исходного сигнала. Такое представление бывает полезным при необходимости выделить на георадарограмме области с характерным типом записи, отличающимся от соседних областей профиля, более высокой или более низкой энергией сигнала [3]. Применение этого метода обработки существенно подчеркивает границы между литологическими слоями и упрощает дальнейшую его интерпретацию, так как мгновенная частота указывает на участки записи с различным частотным составом, что не так четко наблюдается на исходной георадарограмме.
Типичный разрез адзьвинской свиты характеризуется многократным чередованием песчаных и глинистых, изредка известковистых пород общей мощностью около 80 м, обнажающихся почти не-
Рис. 2. А - Фрагмент георадарограммы (ноябрь 2009 г.) (профиль 3) (местоположение см. рис. 1). Условные обозначения. Границы: 1 - разделяющие влагонасыщенные светло-серые известняки, песчаники от аргиллитов со слоистыми известняками; 2 - вертикальных каналов, по которым поднимаются термальные воды; 3 - наиболее обводненных зон в пределах вертикальных каналов. Источники: А - 1, Б - 2, В - 3, Г - 4.
Б - Фрагмент георадарограммы (профиль 3) с обработкой георадарограммы методом деконволюции.
В - Фрагмент георадарограммы (профиль 3). Выполнено преобразование Гильберта.
прерывно по берегам р. Адзьвы. По данным геологических разрезов в урочище Пымвашор [9] отложения до 35 м представлены мелкокристаллическими светло-серыми известняками, которые выделены однородным массивом, с единой литологией и стратиграфией, что в целом при отрицательных температурах сказывается на прохождении сигнала через породы и затрудняет интерпретацию полученного материала. При этом можно выделить косослоистое залегание пород, что, по-видимому, связано с их смятием в результате раздробления урочища разломами и вымывания песчаников из нижележащих горизонтов. Со структурами подобного типа связана восходящая деятельность подземных термальных источников, по которым поднимаются и разгружаются воды «Горячей горы».
Профиль № 2 (рис. 3) располагается на участке скального массива над горячими источниками. Обнажения на скальном массиве помогают в интерпретировании данного профиля. Породы на этом участке смяты в мелкие складки в западном направлении. На георадарограмме наблюдаются наклонные оси синфазности (косослоистый тип отложений в правой части разреза). На месте древнего, в настоящее время не функционирующего источника, в левой части разреза на глубинах от 10 до 17 м наблюдаются сильно увлажненные слои. Эта обводненность более интенсивна, чем на участке профиля, на котором находятся действующие термальные источники.
Питание термальных источников взаимосвязано, а в наиболее раздробленных зонах осуществляется разгрузка вод, что видно на примере четырех источников, которые расположены ниже более древнего, в настоящее время не изливающегося источника.
На рис. 3Б профиль обработан преобразованием Гильберта. Применение данного метода подчеркивает границы между литологическими слоями, однако при этом обнаружение косослоистого залегания слоев затруднено в связи с функциональными особенностями данного метода. На рис. 3В профиль обработан методом деконволюции (повышением разрешающей способности). Данный метод позволил более детально подчеркнуть косослоистое залегание слоев на трассе профиля.
Гипотезы происхождения термальных вод
Природа солоноватых слабоминерализованных хлоридно-натриевых вод Пымвашора может быть связана либо с их инфильтрацией (поднимающихся по разлому с больших глубин), либо с ранее отложенными водами, которые в результате тектонических движений двигаются и смешиваются с инфильтрационными водами. Химический и газовый состав вод не позволяет однозначно определить их генезис [10].
А.А. Чернов [11] предполагал, что термальные воды поднимаются с глубин свыше 800 м, где сбрасыватель должен быть в контакте с верхнеде-
Рис. 3. Фрагмент георадарограммы на участке скального массива над горячими источниками (август 2010 г.) (профиль № 2). А (без математической обработки): 1 - поверхностные отложения (мелкокристаллические известняки), 2 - слоистые известняки и аргиллиты, смятые в мелкие складки, 3 - обводненная зона разгрузки термальных вод, 4 - слоистые известняки и аргиллиты; Б - с преобразованием Гильберта; В - с преобразованием методом деконволюции.
вонскими осадками. Как Н^, так и №С1 источники могут получать из толщи битуминозных пород верхнего девона.
К.К. Волоссович [8] связывал возникновение источников с постмаг-матической деятельностью кайнозойской интрузии основного состава на основании присутствия в сернистом осадке воды источников микроэлементов, характерных для эманации основной магмы. Эта гипотеза не противоречит предположению А.А. Чернова [11], а оба процесса (инфильтрация атмосферных вод, их нагрев и минерализация на глубине под действием молодой интрузии) могут протекать одновременно. Природа этого явления связывается с надвиговыми движениями от Урала, а также, возможно, с оживлением вулканической деятельности в позднемезозойское - кайнозойское время [6].
По неопубликованным материалам Н.Ю. Егоровой, температуры на поверхности кристаллического фундамента отмечаются от 100 до 110°С при ее глубине от 5 до 7 км, а на поверхности средневизейских -нижнепермских осадков примерно от 20 до 30°С. Соответственно геотермический градиент на гряде Чернышева определяется в диапазоне от 1,6 до 2,2°С/100 м. Примерно те же значения градиента мы получаем при плотности теплового потока 50 мВт/м2 и коэффициенте теплопроводности около 2,5 Вт/м*К, т.е. наиболее вероятные значения градиента можно принять не более 2°С/100 м. Таким образом, глубина образования термальных вод Пымвашора определяется не менее 1400 м. А.И. Рубцовым [12] область питания источников зафиксирована на границе нижнедевонских и франских отложений.
В газовом составе самых «горячих» источников Пымвашор присутствует малая (<1%) примесь мантийного гелия [13]. Авторы предполагают, что воды источников формируются в зоне активного водообмена и имеют преимущественно инфильт-рационное происхождение.
Несмотря на общее сходство изотопных характеристик речных и минеральных вод, формирование последних явно происходит не за счет современных атмосферных осадков, а, вероятно, более древних пресных вод. На это указывают небольшие различия в значениях содержания дейтерия в водороде (5D) и изотопа 18О в кислороде (518О), отмечаемые
при сравнении речных и минеральных вод, а также отсутствие для минеральных вод четко выраженной зависимости изотопных характеристик от их географического положения. Судя по оценкам пластовых температур по гидрохимическим геотермометрам, нагрев воды происходит за счет проникновения атмогенных вод на глубины от 1 до 2 км. Очевидно, что область их питания располагается в северной части Уральского кряжа, а места разгрузки маркируют тектонически ослабленные зоны в пределах поднятий Предуральского краевого прогиба [10]. Происхождение термальных вод может быть связано с действием интрузии и инфильтрацией атмосферных осадков, нагретых в соответствии с геотермическим градиентом на глубинах до 1,5 км и выведенных по разломам на дневную поверхность.
Заключение
Георадиолокационные исследования позволили выделить вертикальные зоны повышенной неоднородности (раздробленности) и обводненности подстилающих пород ландшафтов, по которым разгружаются термальные воды. Георадиолокационное сканирование участка над горячими источниками показало ряд клиновидных структур, проникающих на глубины свыше 35 м. С подобного рода структурами связана восходящая деятельность термальных источников, по которым поднимаются и разгружаются воды источников. Возможно, питание термальных источников взаимосвязано, а в наиболее раздробленных зонах осуществляется разгрузка вод. Это отмечается на примере четырех источников, которые расположены ниже более древнего, в настоящее время не изливающегося. Природа термальных вод может быть связана с действием остывающей интрузии, а также с инфильтрацией атмосферных осадков, нагретых в соответствии с геотермическим градиентом на глубинах до 1,5 км и выведенных по разломам на дневную поверхность. Над источниками авторами отмечен косослоистый тип отложений. На месте древнего, в настоящее время не функционирующего источника на глубинах от 10 до 17 м наблюдаются сильно увлажненные литологические горизонты. Возможно, ранее этот источник был водообильнее действующих источников. Обводненность на участке профиля под древним источником (на глубине от 14 до 20 м), несмотря на отсутствие современного выхода вод на поверхность, более интенсивна, чем на участке с действующими термальными источниками.
При геолого-геофизических исследованиях гидротермальных источников георадар SIR-3000 и антенны Subecho могут быть применены для построения приповерхностных геологических разрезов, определения положения уровня термальных вод, границ согласного и несогласного залегания литологических слоев с различным показателем диэлектрической проницаемости. Накопленный к настоящему моменту теоретический и практический опыт показывает, что в случае георадиолокацион-ных измерений оси синфазности отраженных электромагнитных волн приурочены в основном к границам слоев с различной литологией, выявление которых и являлось основной целью данной работы.
Исследования выполнены при поддержке грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых ученых МД-4164.2011.5, РФФИ № 11-05-98806-р_север_а; № 10-04-00897, 11-04-98817, программ фундамен-
тальных исследований УрО РАН № 12-П-5-1014, 12-М-45-2062, 12-У-5-1022.
Литература
1. Кол. авторов. Функционирование субарктической гидротермальной экосистемы в зимний период. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. 252 с.
2. Полякова Е.В., Гофаров М.Ю. Применение аэрофотосъемки с беспилотного летательного аппарата при составлении цифровой модели местности (на примере субарктического термального урочища Пымвашор) // Известия Коми НЦ УрО РАН. 2012. №3 (11). С. 52-56.
3. Старовойтов А.В. Интерпретация георадар-ных данных. М.: МГУ, 2008. 192 с.
4. Daniels D. Ground-penetrating radar. 2nd ed. The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom, 2004. 734 p.
5. Конанова Н.В. Строение мантии Печорской плиты // Геология и минеральные ресурсы европейского Северо-Востока России: новые результаты и новые перспективы. Материалы XIII Геологического съезда Республики Коми. T.II. / Институт геологии Коми НЦ УрО РАН. Сыктывкар, 1999. С. 19-21.
6. Малышев НА. Тектоника, эволюция и неф-
тегазоносность осадочных бассейнов европейского Севера России. Екатеринбург: УрО
РАН, 2002. 270 с.
7. Щапов ВА Геотермические исследования Урала: Автореф. докт. дис. Екатеринбург, 2006. 44 с.
8. Гидрогеология СССР. T.XLII. Коми АССР и Ненецкий национальный округ Арх. обл. РСФСР. М.: Недра, 1970. С. 180-191.
9. Першина А.И. Силурийские и девонские отложения гряды Чернышева. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1962. 118 с.
10. Митюшева Т.П., Лаврушин В.Ю. Сероводо-
родные источники гряды Чернышева // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: Материалы регион. науч.-практ.
конф. Перм. ун-т. Пермь, 2007. С. 232-235.
11. Чернов АА Сероводородные источники некоторых новых районов Печорского края, имеющие признаки нефтеносности и газоносности // Природные газы. 1932. № 3. С. 95-105.
12. Рубцов А.И. Поисковые работы на закрытых территориях (новое в методических подходах) // Геология и минеральные ресурсы европейского Северо-Востока России. Новые результаты и новые перспективы: Материалы XIII Геологического съезда Республики Коми. T.IV. Сыктывкар: Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, 1999. С. 252-254.
13. Поляк Б.Г., Лаврушин В.Ю., Прасолов ЭМ. Первые данные об изотопном составе инертных газов (Не, Ar) в термальных источниках гряды Чернышова (северо-западное Приуралье)//XVШ симпозиум по геохимии изотопов им. акад. А.П.Виноградова/М.: ГЕОХИ РАН, 2007. С. 194.
