Петрологическая интерпретация геоэлектрических моделей

 Активное развитие методов геоэлектрики и петрофизики в последнее время предоставляет новые возможности для интерпретации глубинных геоэлектрических моделей. Петрологическая интерпретация геоэлектрических моделей предполагает «наполнение» глубинных горизонтов моделей нижнекоровыми и верхнемантийными породами путем подбора пород с необходимой зависимостью электропроводности от температуры и с выполнением следующих условий:

1. распределение электропроводности в зависимости от современного поля температур в глубинных горизонтах модели должно соответствовать результатам лабораторных измерений электропроводности от температуры на образцах рассматриваемых глубинных пород.
2. глубинность интерпретируемых горизонтов в модели и их положение по отношению к региональным тектоническим структурам должны соответствовать фациям метаморфизма для анализируемых глубинных пород.
3. рассматриваемые породы должны быть репрезентативными, то есть представлять значительные объемы нижней коры и литосферной мантии.
4. предпочтительно при интерпретации какого либо участка профиля в первую очередь анализировать глубинные породы, ксенолиты которых вынесены на поверхность на этом участке, в случае их отсутствия использовать литературные данные.

 Предлагаемая методика интерпретации глубинных геоэлектрических моделей, опирается на лабораторные измерения электропроводности образцов глубинных пород при высоких давлениях и температурах и на петрологический анализ образцов глубинных пород (ксенолитов). Она включает в себя построение палеогеотермы на момент выноса ксенолитов и современной геотермы, обеспечивает возможность конверсии результатов лабораторных измерений «электропроводность от температуры» в зависимость «электропроводность от глубины» для различных значений геотерм, что позволяет сопоставлять эти данные с данными по вертикальным профилям электропроводности от глубины для геоэлектрических моделей МТЗ.

Первые результаты:

1. При сопоставлении значений электропроводности из модели литосферной мантии зоны

сочленения Тарима и Тянь-Шаня, полученной при работе по проекту «Геодинамика Тянь-

Шаня», (Bielinski et al, 2003) с результатами лабораторных измерений электропроводности

на нижнекоровых и верхнемантийных ксенолитах из этого района, выполненных в

университете Франкфурта на Майне под руководством Н. Багдассарова (Баталев и др., 2009),оконтурены массивы шпинелевых лерцолитов, эклогитов и гранулитов.

Рис. 1. Геоэлектрическая структура земной коры, вдоль МТ-профиля 76º ВД через Тянь-Шань [Bielinski, et al 2003], (правая панель), сопротивления показаны цветом, глубинные разломы по [Thompson, et al 2002]. Распределение глубинных температур показано в виде изолиний. Пунктирными контурами выделены по данным петрологической интерпретации области предполагаемого расположения глубинных массивов эклогитов, шпинелевых лерцолитов и гранулитов; левая и нижняя панели - результаты лабораторных измерений электропроводности глубинных пород в сопоставлении с данными других исследователей и результатами МТ-инверсии.

2. При сравнении современной геотермы с палеогеотермой (~70 млн. лет назад), рассчитанной по результатам термобарометрии лерцолитовых и гранулитовых ксенолитов, установлено что температура на глубине 35-40 км уменьшилась от 750-800ºС до 750-700ºС.

Рис. 2. Термобарометрия эклогитов [Симонов и др. 2008], шпинелевых лерцолитов и гранулитов,  современные и палео-геотермы (~70млн лет назад) со значениями теплового потока в мВт/м2 и положение границы Мохо для участка Ак-сайской впадины, Киргизстан.

3. При сопоставлении установленной по результатам термобарометрии границы между гранулитами и шпинелевыми лерцолитами, (обычно соответствующей геофизической границе Мохо) с современной границей Мохо, обнаружено, что за ~70 млн. лет в исследуемом участке литосферы оценки глубины до границы Мохо возросли от 35-40 км до 55-60 км.

Рис. 3. Положение границы между шпинелевыми лерцолитами и гранулитами ~70 млн. лет назад по данным термобарометрии ксенолитов, левая панель, и современное положение границы Мохо – по данным магнитотеллурики и тепловой модели, правая панель.

 Петрологическая интерпретация направлена на изучение вопросов, связанных с электропроводностью нижнекоровых – верхнемантийных горизонтов. Средняя величина удельного сопротивления на глубинах 100-140 км ~100 Ом×м, что выше, чем таковая для частичного расплава [Park, et al, 1996]; таким образом, расплав может присутствовать лишь в малых количествах (<1 %) или в изолированных камерах. Напротив, вода, содержащаяся в кристаллической решетке оливина, может уменьшить удельное сопротивление до 100 Ом_*м [Karato, 1990], но недавние измерения содержания воды в кристаллической решетке оливина из ксенолитов шпинелевых лерцолитов Орто-Суу методом  ИК спектрометрии в Институте геологии и минералогии СО РАН показали практически полное её отсутствие. Поэтому для объяснения невысоких значений удельного сопротивления в верхней мантии на глубинах 100-140 км (~100 Ом×м) должны существовать другие причины.

 Предполагается, что в зоне сочленения Тарима и Тянь-Шаня эти горизонты не содержат свободного флюида в количестве,достаточном для формирования аномально проводящих

объектов, а особенности  электропроводности этих горизонтов в основном обуславливаются их вещественным составом и распределением температур. Это предположение основывается на совпадении результатов «сухих опытов» лабораторных измерений электропроводности образцов лерцолитовых и гранулитовых ксенолитов и эклогитов [Баталев и др., 2008; 2009] со значениями  электропроводности нижнекоровых – верхнемантийных горизонтов в моделях МТЗ. На рис. 4 показано производимое в рамках петрологической интерпретации сопоставление результатов полученных при лабораторных экспериментах на образцах эклогитов и шпинелевых лерцолитов со значениями электропроводности по вертикальным профилям геоэлектрической модели, снятым вблизи хребтов Атбашинского и Кок-Шаал тоо.

Рис. 4 Сопоставление результатов лабораторных шпинелевых лерцолитов с  экспериментов эклогитов и на образцах значениями электропроводности по вертикальным профилям геоэлектрической модели.

 В интервале температур от ~700-750°C до ~950-1000°C, соответствующем глубинам литосферной мантии, наблюдается совпадение результатов «сухих опытов» лабораторных измерений электропроводности образцов эклогитов и шпинелевых лерцолитов со значениями электропроводности по рассматриваемым участкам вертикальных профилей. Тем самым подтверждается, во-первых, предположение об отсутствии свободной воды в этом интервале температур (глубин), а во-вторых, соответствие значений электропроводности образцов глубинных пород, полученных в лабораторных условиях значениям электропроводности для соответствующих глубинных массивов означает с большой вероятностью, что оконтуренные на рис. 9 массивы имеют эклогитовый, лерцолитовый и гранулитовый составы. Расположение глубинного эклогитового массива в продолжении пологого поддвига  Таримской платформы под кору Тянь-Шаня а лерцолитового массива непосредственно под этим поддвигом  и общая морфология геоэлектрических структур, соответствующая субдукционно - коллизионному сценарию  (рис. 9) являются дополнительным аргументом для такой интерпретации.

 Для интервала температур от ~300°C до ~700°C, приблизительно соответствующего глубинам корового проводящего слоя, значения электропроводности по вертикальным профилям превышают данные лабораторных измерений электропроводности почти на порядок, что очень наглядно отражается на графиках в виде  локального максимума. Вероятно, это явление связано с заполнением порового пространства в породах корового проводящего слоя флюидом освобождающимся при дегидратации водосодержащих пород [Ваньян, Глико, 1999г.].

 При температурах более 1000°C данные лабораторных измерений электропроводности превышают значения электропроводности по вертикальному профилю, что вероятно связано с фазовыми изменениями, происходящими в веществе верхней мантии.

5. По результатам интерпретации магнитотеллурических зондирований, лабораторным измерениям электропроводности при высоких температурах и давлениях, скоростей упругих волн и термобарометрии нижнекоровых и верхнемантийных ксенолитов установлено, что глубина залегания границы Мохо в южной части Центрального Тянь-Шаня за 70 млн. лет возросла с 35 до 55 км. При этом значение теплового потока на поверхности за тот же период времени уменьшилось с 80 мВт/м² до 60 мВт/м², что свидетельствует об охлаждении литосферы региона в течение данного периода времени.

Рис.5. Результаты расчета геотерм, Южный Тянь-Шань,76° ВД; термобарометрия гранулитов, лерцолитов и эклогитов с позиционированием поверхности Мохо и границы между гранулитами и шпинелевыми лерцолитами.