Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

ИЗОТОПЫ ГЕЛИЯ И ТЕПЛОВОЙ ПОТОК КАК ОТРАЖЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ (ЦЕНТРАЛЬНО-ТУВИНСКАЯ КОТЛОВИНА, ОЗ. ДУС-ХОЛЬ)

Лебедев В.И. 1 Рычкова К.М. 1 Монгуш С-С.С. 1
1 ФГБУН «Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов» СО РАН
Озеро Дус-Холь находится в Центрально-Тувинской котловине, входящей в межгорный Тувинский прогиб на юго-востоке Алтае-Саянской складчатой области. Изотопное отношение гелия (R) источников оз. Дус-Холь превышает фоновое для пород фундамента и составляет в среднем 69∙10-8. Значения R превышают таковые в термоминеральном источнике Уш-Бельдыр (54∙10-8), расположенном в сейсмогенерирующем Билин-Бусийнгольском грабене. Глубинные продукты в среднем представлены коровым гелием на 88,7 %, гелием мантии на 5,3 %. Высокое содержание изотопного отношения гелия, наличие мантийной составляющей однозначно указывают на проявления скрытого тепломассопотока, т.к. поверхностные проявления кайнозойского вулканизма в Центральной Туве не выделены. Содержания гелий-неонового отношения и водорастворенного гелия значительно превышают соответствующие атмосферные. Это свидетельствует о глубинном характере полученных величин. Измерения после землетрясений показали возросшие величины гелий-неонового отношения и водорастворенного гелия в среднем в 5–6 раз. При этом сейсмотектонические события не повлияли на величину изотопов гелия, что говорит о региональном характере распределения R.
Центрально-Тувинская котловина
подземные флюиды
изотопы гелия
общий гелий
мантийный гелий
глубинные разломы
тепловой поток
напряженно-деформированное состояние земных недр
1. Дучков А.Д., Рычкова К.М. Аюнов Д.Е. Тепловой поток Центрально-Тувинской котловины // Состояние и освоение природных ресурсов Тувы и сопредельных регионов Азии. Геоэкология природной среды и общества. – Кызыл: Тув ИКОПР СО РАН. – 2012. – С. 46–52.
2. Каменский И.Л., В.И. Скиба. Возраст воды родников Тувы и Алтайского края // Материалы Всероссийской научной конференции, посвященной 80-летию кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Томского политехнического университета // под ред. С.Л. Шварцева. – Томск: Изд-во НТЛ. – 2011. – С. 720.
3. Отчет Комплексной гидрогеологической партии «ГЕОМИНВОД» Института курортологии и физиотерапии. Гидрогеологическое обоснование возможности и выведения минеральных вод для бальнеологического использования в пределах Тувинской котловины. – М., 1970.
4. Поляк Б.Г. Тепломассопоток из мантии в главных структурах земной коры. – М.: «Наука», 1988. – С. 192.
5. Рычкова К.М. Тепловой поток территории Тувы по изотопно-гелиевым и геотермическим данным: дис….к. г.-м. н.: Специальность 25.00.10. – Новосибирск, 2009. – С. 117.
6. Тепловое поле недр Сибири // Э.Э. Фотиади (ред.) / Новосибирск: Наука. – 1987. – С. 185.
7. Тойб Р.Е., Мищук О.В., Михайленко В.Г., Кириленко В.А. Комплексные геолого-геофизические исследования глубинного строения и сейсмичности Алтае-Саянской складчатой области: методика, результаты, прогноз // Геология и минеральные ресурсы Центральной Сибири. – Красноярск: КНИИГиМС, 2004. – С. 172–186.
8. Хуторской М.Д.. Геотермия Центрально-Азиатского складчатого пояса. – М.: Изд-во Росс. ун-та др-бы нар-ов, 1996. – С. 289.
9. Янитский И.Н. Гелиевая съемка. – М.: «Недра», 1979. – 96 с.
10. Kamensky I.L., Tokarev I.V., Tolstikhin I.N. 3He/4He dating: A case for mixing of young and old groundwaters // Geochimica et Cosmochimica Acta. – 1991. – V. 55. – P. 2895–2899.

Для уточнения и распределения теплового потока на территории Тувы был использован косвенный метод по изотопно гелиевому отношению в минеральных источниках. Он позволил существенно улучшить геотермическую изученность Тувы на востоке Тувы, где проявлена позднекайнозойская тектоно-магматическая активность. В Центральной Туве оценить тепловой поток по изотопам гелия не получилось, т.к. практически все источники формируются в зоне верхнего активного водообмена и не несут глубинной компоненты. Исключение составили источники оз. Дус-Холь, где косвенные оценки теплового потока значительно превышают измеренные в скважинах.

В предлагаемой статье рассматриваются причины несоответствия косвенных и прямых оценок теплового потока

Цель исследования

Тепловой поток – одна из важнейших физических характеристик глубинных недр. Первые геотермические измерения теплового потока в скважинах Центральной и Западной Тувы на 7 участках показали его низкое значение в среднем 41 при вариациях от 33 до 50 мВт/м2 [6]. На северо-востоке и востоке Тувы в двух пунктах по измерениям в скважинах были определены высокие оценки qT от 60 до 74 мВт/м2. Неразбуренность территории затормозила дальнейшее изучение распределения теплового потока, поэтому нами был использован изотопно-гелиевый метод [5]. Региональные вариации значений изотопов гелия (3He/4He ~ R) подземных флюидов совпадают с вариациями теплового потока, т.к. тепло и гелий из мантии поступают в земную кору согласованно. Зависимость между ними выражена уравнением: q = 18,231 lg(3He/4He) + 181,82 [4]. Исследования изотопов гелия в минеральных источниках позволили уточнить и расширить представления о тепловом режиме Прихубсугулья, Хангая, Байкальской рифтовой зоны. В настоящее время косвенный метод определения теплового потока широко применяется во всем мире.

Для Восточной Тувы на данный момент получено 18 значений высокого теплового потока в среднем 73 мВт/м2, рассчитанных по изотопам гелия и идеально совпадающих с измеренными в скважинах в трех пунктах на северо-востоке и юго-востоке. Полученные значения qR подтверждают и свидетельствуют о значительной погрешности земных недр на востоке. В Западной и Центральной Туве определить тепловой поток qR по изотопам гелия не удалось. Источники этой территории формируются в зоне активного водообмена; изотопное отношение гелия не содержит глубинной компоненты и представлено атмосферной составляющей, за исключением двух пунктов: источники – Шуйский и Дус-Холь. Высокие значения изотопов гелия источников оз. Дус-Холь не отвечают измеренному низкому qT в этом районе.

По измерениям 2013–2014 гг. выявлено двухкратное возрастание гелий-неонового отношения и вариативные до аномальных значения общего гелия; при этом величина отношения изотопов гелия оставалась постоянной. В предлагаемой статье рассматриваются результаты изотопно-гелиевых исследований источников оз. Дус-Холь как показателей сейсмотектонической активности Центрально-Тувинской впадины.

Материалы и методы исследования

Рассматриваемый район расположен в Центрально-Тувинской котловине на границе Тувинского прогиба, ограниченного с северо-востока и юга отрогами хр. Восточный Танну-Ола. Породы прогиба представлены вулканогенно-осадочными толщами палеозоя. С юга Тувинский прогиб ограничен тектонической зоной, проходящей параллельно хребту Восточный Танну-Ола. По мнению многих исследователей, Восточный Танну-Ола геоморфологически сравнительно молодое образование, которое на первоначальном этапе характеризовалось активными блоковыми движениями, захватывающими и Тувинский прогиб. На современном этапе Восточный Танну-Ола выделяется стремительным поднятием с глубоким эрозионным расчленением, в то время как Тувинский прогиб испытывает опускание. Разнонаправленные движения двух соседних структур разграничены тектонической зоной, проходящей вдоль северных склонов хребта. Активные движения в Тувинском прогибе связаны с блоковыми перемещениями фундамента, которые во многих случаях происходили в результате обновления разломов, существовавших на более ранних этапах развития территории. В результате этих движений сформировались депрессии, к которым относится и оз. Дус-Холь. Преобладают разломы северо-западного и северо-восточного направления с преобладанием круто-наклонных и вертикальных, доходящие до среднепалеозойского фундамента. Работами Гидрогеологической партии Института курортологии и физиотерапии выявлена глубокая циркуляция подземных вод, которая «…весьма заметно увеличивается в зонах тектонических нарушений Тувинской котловины» [3]. По результатам комплексных геолого-геофизических исследований установлено, что Центрально-Тувинская котловина характеризуется сменой блоков с резко изменяющимися скоростными параметрами, свидетельствующими о повышенной сейсмической активности; на глубине 35–40 км выделены аномалии суммарной электрической проводимости. Авторы этой работы предполагают «…вздымание корово-мантийной границы до 35–40 км» [7].

Зимой 2011–2012 гг. на хр. Академика Обручева произошли землетрясения. Они находились в 150 км к северо-востоку от источников оз. Дус-Холь. По данным КНИИГиМС и ЦМЭИ ЧС РТ первое сильное событие, произошедшее 27 декабря 2011 г., имело Ms = 6,0. Расчётная интенсивность в эпицентре составила I0 = 8 баллов. Второе, случившееся 26 февраля 2012 г., имело Мs = 6,4. Расчётная интенсивность в эпицентре – I0 = 8 баллов. Глубины гипоцентров обоих событий составили 10 км.

Два источника оз. Дус-Холь, Восточный и Западный, расположены в прибрежной зоне озера на восточном и юго-западном бортах на расстоянии около 700 м. Они вытекают из юрских песчаников, залегающих несогласно на средне-верхнепалеозойских гранитах. Мощность отложений юрского возраста, достигающая максимальных 1,5 км в центральной части Тувинской котловины, в районе оз. Дус-Холь участками выклинивается. Источники приурочены к скрытому глубинному разлому север-северо-западного простирания. Озеро бессточное, находится на высоте 700 м над уровнем моря. Восточный источник негазирующий. В газовой фазе Западного источника содержится до 80 % азота, кислорода – до 18 и углекислого газа до 3 %; температура в обоих источниках не превышает 3 °С. Пробы на изотопы гелия отбирались согласно общепринятой методике. Анализ проб производился в лаборатории геохронологии и геохимии изотопов Геологического института КНЦ РАН (г. Апатиты). Измерения изотопного отношения гелия в 2007, 2010 и 2013, 2014 гг. показали устойчивость этой величины во времени. Постоянство высоких содержаний отношения изотопов гелия на протяжении 7 лет указывает на возможность суждений о региональных закономерностях в распределении значений R [4]. Был проведен отбор проб на общий гелий в 2013 г. с интервалом в 20 дней. Пробы анализировались в Иркутске и Новосибирске на приборе ИНГЕМ–1 (индикатор гелия магниторазрядный). Получено 15 результатов по определению водорастворенного гелия.

В результаты измерений (Rизм) вводилась поправка (Rиспр), указывающая на истинную величину изотопного отношения гелия в глубинном газе. Как оказалось, практически для всех проб Rизм равна Rиспр. Это говорит о глубинном происхождении гелия проб и о слабом заражающем влиянии атмосферы.

Результаты исследования и их обсуждение

Измерения изотопов гелия источников Восточный и Западный в 2007, 2010, 2013, 2014 гг. показали постоянные и высокие значения R = (60 – 76)•10-8 при фоновом для палеозоя, равном ~ 10•10-8 (таблица).

При этом значения R несколько превышают таковые в термоминеральном источнике Уш-Бельдыр (54•10-8), расположенном в сейсмогенерирующем Билин-Бусийнгольском грабене. Содержания гелий-неонового отношения, варьирующие от 10 до 54, также значительно превышают атмосферное, равное 0,3. Глубинные продукты в среднем представлены коровым гелием на 88,7 %, гелием мантии на 5,3 %; атмосферной составляющей на 6 %.

Содержание мантийного гелия остается постоянным (5 %) на протяжении всего периода 2007–2014 гг. Сейсмотектонические события не повлияли на величину изотопов гелия, что говорит о региональном характере распределения R. Высокое содержание изотопного отношения гелия, наличие мантийной составляющей однозначно указывают на проявления скрытого тепломассопотока, т.к. поверхностные проявления кайнозойского вулканизма в Центральной Туве не выделены.

Высокие содержания водорастворенного гелия в 160·10-5 мл/л при фоновом атмосферном 5,2·10-5 мл/л определены в 2007 году. В 2013 г. выявлены и продолжаются в настоящее время аномальные вариации этого элемента от 617 до 980·10-5 мл/л (рисунок).

leb1.tif

Аномальные вариации водорастворенного гелия

Общеизвестно, что гранитные массивы содержат низкие концентрации гелия, а повышенные его концентрации характерны для глубинных разломов, причем максимумы концентраций наблюдаются в местах пересечений последних [9]. Высокие содержания гелия указывают на наличие узла пересечения глубинных разломов, а его увеличение до аномальных свидетельствует о повышении проницаемости и флюидонасыщенности, об увеличении дегазации подземных флюидов из низов коры после землетрясений 2011–2012 гг. Полученные данные подтверждают, что водорастворенный гелий является одним из самых надежных и чувствительных индикаторов сейсмодинамических изменений земной коры.

Рассчитано [10], что при гелий-неоновом отношении (4He/20Ne) более 10 возраст воды исчисляется тысячью и более лет. В наших пробах это содержание, измеренное в 2007 г., составило 10,1–11,6. Поэтому воде источников оз. Дус-Холь тысяча и более [2], а по данным [3] до миллиона лет. Во всяком случае, воды источников довольно «древние», что позволило им набрать глубинные компоненты. Гелий-неоновое отношение в 2007 и 2010 гг. оставалось практически постоянным (10,1 и 11,9), а в 2013 г. оно увеличилось до 22–25, что свидетельствует об «удревнении» воды после землетрясений. Увеличение гелий-неонового отношения и водорастворенного гелия свидетельствует о более глубинной дегазации, об усилении миграции глубинных флюидов после землетрясений 2011–2012 гг. Вследствие землетрясений узел разлома, выводящий источники, был обновлен, произошли подвижки и увеличилась проницаемость, что привело к увеличению потока флюидов.

Приведенные данные свидетельствуют о высокой чувствительности указанных компонентов подземных флюидов источников оз. Дус-Холь на землетрясения 2011–2012 гг.

Измерения в скважинах Центрально-Тувинской котловины дают величину теплового потока (qT) в среднем 40–44 мВт/м2 [1]. Это значение хорошо соответствует раннекаледонскому возрасту складчатого фундамента прогиба. Тепловой поток (qR), рассчитанный по изотопам гелия, в источниках оз. Дус-Холь намного выше и составляет 70 мВт/м2 (таблица). Полученная величина qR отражает тепломассоперенос, приуроченный к проницаемому узлу в породах фундамента. Землетрясения 2010–2011 гг. увеличили проницаемость узла, что повлекло дегазацию подземных флюидов из низов коры; увеличение глубинных коровых компонентов: общего гелия и гелий-неонового отношения, но при этом содержания отношений изотопов гелия, следовательно мантийного гелия и теплового потока остались на прежнем уровне. Это указывает на глубинный тепломассоперенос, на наличие глубинной магматической активности.

Изотопное содержание гелия и его составляющих

№ п/п

Название

источника

Год, тип

флюида

Rизм•10-8

4He/20Ne

Heобщ •10-8 см3/см3

Heобщ 10-4 мольн

Rисп

Heм

%

Heк

%

Heа

%

1

Восточный

2007 водн

65

11,9

160

 

65

5

93

2

2*

Восточный

2010 водн

82,8

10,1

174

 

81

     

3

Восточный

2013 водн

62

25

741

 

61

5

94

1

4

Западный

2013 водн

76

22

617

 

75

6

93

1

5

Западный

2013 газ

71

3,8

 

56 ppm

65

5

88

7

6

Западный

2013 газ

76

2.5

 

41ppm

67

5

84

11

 

Восточный

2014 в

60

54

980

 

60

5

83

12

 

Западный

2014 водн

76

36

778

 

75

6

86

8

Среднее по источникам оз. Дус-Холь

69

5,3

88,7

6

Средний тепловой поток qR равен 70 мВт/м2

Примечание. * – значение не принималось во внимание при расчете Rисп.

Известно, что в тектонически подвижных прогибающихся структурах значения qT намного меньше qR, т.к. на величину теплового потока, измеренного в верхней части, оказывают влияние тектонические процессы и активная циркуляция подземных вод, уменьшающие его величину [4, 8]. По геолого-геофизическим характеристикам Центрально-Тувинская котловина является тектонически подвижной прогибающейся структурой с повышенной сейсмической активностью. Об этом говорит ее блоковое строение с резко изменяющимися скоростными параметрами, наличие на глубине 35–40 км аномалий суммарной электрической проводимости, глубокая циркуляция подземных вод, которая «…весьма заметно увеличивается в зонах тектонических нарушений». На величину изотопов гелия, а следовательно, и на qR тектонические движения не влияют, поэтому рассчитанная величина в 70 мВт/м2 в источниках оз. Дус-Холь осталось постоянной и отвечает глубинному тепловому потоку не только в этом пункте, но и имеет региональный характер.

Заключение

1. Установлена высокая чувствительность подземных флюидов источников оз. Дус-Холь на изменение напряженно-деформированного состояния земных недр.

2. Выявленные аномальные вариации водорастворенного гелия свидетельствуют о наличии узла пересечения глубинных разломов, обновлении и активизации после землетрясений 2011–2012 гг.

3. Исследования изотопных отношений гелия позволили определить глубинные компоненты в источниках оз. Дус-Холь, установить наличие скрытого тепломассопотока.

4. Причиной некоррелируемости значений qR и qТ в районе оз. Дус-Холь является сейсмотектоническая активность Центрально-Тувинской котловины.

5. Флюидонасыщенность, высокая проницаемость, сопряженность глубинных разломов, идущих на значительную глубину, повышенная сейсмическая активность указывает на неустойчивое напряженно-деформированное состояние литосферы Центрально-Тувинской котловины и диктует необходимость изучения зон повышенной проницаемости, прослеживания активности геодинамических процессов, мониторинговые наблюдения индикаторов сейсмической активности Тувы.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (р_Сибирь_а_№ 13-05-98058).


Библиографическая ссылка

Лебедев В.И., Рычкова К.М., Монгуш С-С.С. ИЗОТОПЫ ГЕЛИЯ И ТЕПЛОВОЙ ПОТОК КАК ОТРАЖЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ СЕЙСМОТЕКТОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ (ЦЕНТРАЛЬНО-ТУВИНСКАЯ КОТЛОВИНА, ОЗ. ДУС-ХОЛЬ) // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 11-2. – С. 362-366;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36238 (дата обращения: 22.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074