Глава VI
ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
И ИХ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
Программой работ экспедиции предусматривались магнитные (измерение вертикальной составляющей магнитного поля Земли), гравиметрические и радиометрические наблюдения. Экспедиция имела в своем распоряжении магнитомер М-2, сцинтиляционный радиометр СРП-1а (Свет III) и гравиметр ГАК-ЗМ.
Геофизические работы в районе хр. Гурбан-Богдо и в примыкающих к нему межгорных впадинах практически не проводились. Лишь очень незначительный объем магнитных и радиометрических измерений в плей-стосейстовой области Гоби-Алтайского землетрясения был выполнен Монгольским геологическим управлением в декабре 1957 г. и в феврале 1958 г. Кратко об этих исследованиях сообщалось выше. Здесь на них необходимо остановиться подробнее.
Сотрудники геологического управления МНР провели в плейстосейстовой области наблюдения над радиоактивностью пород, вод и воздуха и над магнитным полем (измерялась вертикальная составляющая магнитного поля) по трем очень коротким профилям протяженностью в несколько десятков метров каждый.
Первый профиль был пройден в 150 м к северо-востоку от Хобдо-Сомон через сейсмогенную трещину широтного простирания (координаты профиля 102°23' в. д. и 44°40'40" с. ш.) Изменение вертикальной составляющей магнитного поля по этому профилю не превышало 17 γ и заметных осложнений графика непосредственно над трещиной не было заметно. Суммарная бета-гамма-активность над блоками смещенных пород составила 8—10 γ, т. е. какого-либо повышения над нормальным полем не произошло. Над трещиной разлома суммарная радиоактивность несколько повысилась (до 14 γ).
Второй профиль располагался недалеко от первого (102°03' в. д. и 44°48' с. ш.) и также пересек зону разлома, состоящую из серии трещин. Ширина зоны около 50 м, суммарное вертикальное смещение блоков пород достигает 3 м, ширина трещин до 2 м, видимая глубина 3— 4 м. Было установлено, что магнитное поле по профилю уменьшается с юга на север от —267 γ до —109у (абсолютное значение аномалий определялось от исходного пункта в Улан-Баторе), но это уменьшение, как нам кажется, связано не с зоной разлома, а с положением профиля, по-видимому, на краю более обширной магнитной аномалии. Суммарная бета-гамма-активность вдоль профиля составляет 12—16 γ без заметного повышения непосредственно над разломом.
183
Наконец, третий профиль (101°02' в. д. и 44°55' с. ш.) проведен над одной из наиболее примечательных зон разлома, пересекающей Тормхонский сайр. Ширина этой зоны по профилю около 30 м, вертикальное смещение блоков — до 2 м. Здесь отмечено наибольшее изменение вертикальной составляющей магнитного поля (до 1917y), но и в этом случае большой градиент магнитной аномалии связан не с вертикальным смещением блоков коры, а с эффузивными породами, широко развитыми на этом участке.
Анализируя результаты своих исследований, исполнители пишут: «Полученные данные позволяют говорить об отсутствии повышенной радиоактивности горных пород, водных источников, почвенного воздуха и атмосферы во всех пунктах наблюдений, непосредственно проведенных на участках тектонических нарушений, вызванных Гоби-Алтайским землетрясением. Указанное обстоятельство можно рассматривать как одно из доказательств отсутствия причинной связи данного землетрясения с процессами радиоактивного распада в глубинных слоях земной коры» (Балдан и др., 1959).
Вывод об отсутствии повышенной радиоактивности пород, вод и воздуха над сейсмогенными трещинами несомненно правилен. Но нельзя принять вывод о том, что землетрясение 4 декабря 1957 г. не было связано с радиоактивным распадом в глубинных слоях земной коры — проведенные работы не дали достаточного материала для суждения о характере глубинных процессов. Для решения столь сложного вопроса необходимо было провести более широкие региональные исследования, а не ограничиваться тремя профилями, длина которых составляла несколько десятков метров. По-видимому, исполнителей этих работ ввело в заблуждение то обстоятельство, что над трещинами и зонами разломов не было замечено повышенной радиоактивности воздуха и вод. Но заметного повышения радиоактивности на поверхности Земли в районе Гоби-Алтайского землетрясения вряд ли можно было ожидать даже в том случае, если бы землетрясение и было связано с глубинным процессом радиоактивного распада вещества по следующим причинам:
а) Глубина очага Гоби-Алтайского землетрясения определяется в не сколько десятков километров. С таких глубин выход вод на поверхность Земли исключен.
б) Образующиеся на большой глубине эманации (будь то радон или торон), учитывая сравнительно короткий период полураспада (для радо на 3,825 дня, для торона 54,5 сек.) и большой удельный их вес, превышающий удельный вес обычного воздуха во много раз, не смогут подняться на поверхность Земли в сколь-либо значительных количествах, так как вертикальная скорость движения воздуха в трещинах сравнительно мала. Эманации распадутся еще до выхода на поверхность Земли.
в) Прямое радиоактивное излучение с таких глубин не достигнет поверхности Земли, оно будет поглощено породами стенок трещин и слоем воздуха.
Отрицая возможность повышения радиоактивности в трещинах верхних горизонтов земной коры в зоне Гоби-Алтайского землетрясения за счет подтока продуктов радиоактивного распада из очага или за счет прямого излучения, мы в то же время не исключаем радиораспад на глубине как вероятную причину разрыва коры, но об этом будет сказано ниже, после описания результатов геофизических работ 1958 г.
Последствия Гоби-Алтайского землетрясения настолько грандиозны и интересны для геологов или геофизиков, изучающих структуру земной коры, что каждый объективный исследователь явления, связанного с землетрясением, стремится собрать как можно больше фактических материалов с большой площади с тем, чтобы иметь возможность подойти
184
к научной оценке наблюдаемого им геологического или геофизического явления. Однако при составлении программы работ приходилось учитывать ограниченные сроки и малочисленность геофизического отряда экспедиции.
На совместном совещании научных сотрудников Советской и Монгольской сторон был определен следующий объем геофизических работ: гравиразведка 23 пункта; магниторазведка 500 пунктов; радиометрия 500 пунктов.
Поскольку характер геофизических полей в районе хр. Гурбан-Богдо ранее не был изучен, весь объем наблюдений был распределен более или менее равномерно по всей плейстосейстовой области с тем, чтобы получить общее представление об интенсивности магнитного и гравитационного полей и радиоактивности района. Такое распределение пунктов геофизических наблюдений в какой-то мере позволяет сопоставить характер геофизических полей с видимой структурой верхних горизонтов земной коры и наметить основные элементы структуры всей толщи коры. По своему характеру описываемые работы могут быть отнесены к рекогносцировочным.
В общей задаче по изучению геофизического поля на работы по каждому методу возлагались свои конкретные задачи:
1. Измерение магнитного поля Земли (вертикальная составляющая) по редким маршрутам, секущим плейстосейстовую область вкрест простирания основных структур, для изучения интенсивности магнитных аномалий над хребтом и обрамляющими его впадинами.
2. Измерение суммарной бета - и гамма-активности по редким марш рутам с целью изучения нормального фона и выявления радиоактивных аномалий над различными породами.
3. Измерение силы тяжести на редкой сети пунктов, располагаемых на точках с известными абсолютными высотами, с целью определения разностей в величинах относительных аномалий силы тяжести в редукциях Фая и Буге над опущенными и приподнятыми блоками земной коры.
Методика магнитных наблюдений
Для измерения приращений вертикальной составляющей магнитного поля (ΔZ) использовался магнитометр М-2.
В районе работ не было пунктов, где определены полные значения элементов магнитного поля Земли. Мы не располагали приборами для абсолютных магнитных наблюдений, поэтому предусматривалось измерение только приращения вертикальной составляющей магнитного поля относительно или исходного пункта, расположенного на юго-западном берегу оз. Орок-Нур, или относительно начальных или конечных точек каждого маршрута.
Направление маршрутов магнитной съемки принято секущим к простиранию структур, т. е. преимущественно меридиональное, но в каждом конкретном случае проложение маршрута определялось проходимостью местности. Следует иметь в виду, что относительно большие высоты хребта (до 4000 м), наличие обрывов, сейсмогенных обвалов, массивов песков и т. п. затрудняли прямолинейное продвижение по маршруту. Поэтому большая часть маршрутов пролегла по извилистым линиям, причем точки наблюдений явились одновременно и точками излома линий маршрута.
Наблюдения производились на точках, хорошо опознаваемых на карте (подножье крупных скал, отдельные вершины гор, устья падей и т. п.). Закрепление точек на местности не проводилось — они отмечались только на карте.
185
Основные маршруты, которые, с нашей точки зрения, дали больше Материалов для суждения о глубинной структуре района, пересекают всю плейстосейстовую область с юга на север, начинаясь далеко от подножья хребта в центральных частях или даже на противоположных бортах впадин. Таких маршрутов три (Долина Озер — р. Битут — ущелье Сэбсул — водораздел — ущелье Хушут — р. Ичету-гол — Цагангольская впадина; долина Озер — сайр Тормхон; Долина Озер — ущелье Улан-булак).
Первый маршрут (Долина Озер — Цагангольская впадина) был самым трудным для передвижения отряда. В ущелье Хушут обвалы продолжались и в сентябре 1958 г., когда проводились магнитные измерения. На этом же маршруте выполнены наблюдения на наибольших высотах (до 3378 м).
Контроль за состоянием прибора в маршруте осуществлялся путем ежедневной проверки цены деления шкалы компенсационными магнитами и повторением наблюдений утром на последней точке прошедшего дня. Следует отметить, что за два месяца работ цена деления шкалы практически не изменилась, оставаясь в пределах от 28,3 до 28,5γ. Разница в вечерних и утренних отсчетах на одной точке не превышала 0,5 деления шкалы, т. е. 12—15 γ.
При выезде с базы экспедиции и по возвращении из маршрута делались более тщательные проверки смещения нульпункта, цены деления в кольцах Гельмгольца и температурного коэффициента. Все эти проверки показали, что цена деления, нульпункт и температурный коэффициент изменились незначительно (смещение нульпункта за два месяца составило 20 γ, температурный коэффицент не превышал +0,4 γ на градус).
Сравнение вечерних и утренних наблюдений на одних и тех же точках маршрута и наблюдений на исходных, пунктах на базе экспедиции позволяют считать, что средняя квадратичная погрешность магнитных наблюдений не превышает ±14 γ.
Для оценки влияния вариаций магнитного поля во времени на точность измерений ΔZ в порядке опыта велись наблюдения за вариациями на базе экспедиции в течение двух суток. Вариации не превышали К— 10 γ за 12 часов, поэтому поправки за них не вводились.
Наблюдения на точках по маршруту располагались примерно через 1—2 км (маршрут от массива Бага-Богдо к потухшему вулкану Хатан-Суудал). На каждой точке проводилось четыре отсчета в двух азимутах, записывались время наблюдений и температура прибора.
Методика радиометрических наблюдений
Для наблюдений за радиоактивностью в плейстосейстовой области мы пользовались одним из первых экземпляров нового типа полевых радиометров — радиометром (СРП-la (Свет III).
Методика измерений радиоактивности определялась поставленными перед нами задачами. Нам хотелось выполнить как можно больше измерений радиоактивности пород и воздуха на широкой площади с тем, чтобы уловить закономерности в характере радиоактивности района. Для этого измерения с радиометром велись как по маршрутам магнитной съемки, так и частично по геологическим маршрутам. В обоих случаях для каждого пункта магнитной съемки или обнажения пород, описанного геологами, получены и данные о радиоактивности пород. Коренные обнажения пород или свалы исследовались радиометром в нескольких точках, в журнал записывалось среднее значение гамма-активности для данного пункта. При передвижении между пунктами радиометр не выключался, но тумблер пульта управления ставился в поло-
186
жение «быстро», что позволяло во время транспортировки непрерывно наблюдать за изменением гамма-активности воздуха и в интересных местах делать более точные измерения, если гамма-активность возрастала более чем на 20% относительно среднего фона на данном отрезке маршрута. При такой методике радиометрических измерений исключалась возможность пропуска сколь-либо заметных аномалий гамма-активности но линии маршрутов. При пересечении тектонических трещин, возникших 4 декабря 1957 г., измерялась радиоактивность воздуха и пород в трещине.
Разумеется, охватить радиометрическими измерениями всю плейстосейстовую область при наличии единственного прибора было невозможно. Этот пробел несколько восполнен тем, что все коллекции образцов горных пород были проверены на радиоактивность.
Контроль за техническим состоянием прибора и его точностью осуществлялся путем сопоставлений утренних и вечерних показаний на одних и тех же пунктах, а также градуировками прибора по эталону и сверки показаний радиометра с контрольным препаратом радиоактивного изотопа кобальта (Go60). Градуировка всех трех диапазонов по стандартному эталону за два месяца полевых работ выполнена три раза.
Пределы измерения гамма-излучения на первом диапазоне прибора составляют от 0 до 80 мкр/час, на втором — от 0 до 275 мкр/час, а на третьем — от 0 до 1375 мкр/час.
В подавляющем большинстве случаев измерения производились на первом диапазоне.
Сравнение двух градуировок показало, что параметры прибора за два месяца почти не изменились (табл. 5).
Таблица 5
Градуировка радиометра «Свет III»
Интенсивность излучения, мкр/час | Отсчеты | Отклонение от середины, в делениях | ||
I градуировка | II градуировка | средний | ||
6,3 | 6,5 | 3,0 | 4,7 | 1,7 |
9,9 | 9,5 | 7,0 | 8,2 | 1,2 |
17,5 | 15,0 | 14,0 | 14,0 | 0,5 |
25,3 | 21,5 | 21,5 | 21,5 | 0 |
32,2 | 25,0 | 23,8 | 24,4 | 0,6 |
43,8 | 31,0 | 31,0 | 31,0 | 0 |
Как видно из таблицы, разница ib отсчетах не превышает в среднем 1 деления микроамперметра или 1—2 мкр/час и сравнима с величиной флуктуационных отклонений стрелки прибора за счет неравномерного распределения гамма-импульсов во времени.
Методика гравиметрических наблюдений
Программой работ предусматривалось определение относительных аномалий силы тяжести над опущенными и приподнятыми блоками земной коры в плейстосейстовой области. Величины этих аномалий намечалось измерить относительно условного нуля, за который было принято полное значение силы тяжести на юго-западном берегу озера Орок-Нур (первая база экспедиции).
187
Несмотря на то, что мы были ограничены временем и возможностями передачи наблюденного значения силы тяжести на большое расстояние, на котором приращение силы тяжести составляет около 400 мгл, все же наряду с решением основной задачи было определено и полное значение аномалий силы тяжести в плейстосейстовой области. Для этого был выполнен один рейс по определению Δg от Улан-Батора до оз. Орок-нур и обратно. Продолжительность рейса составила 78 часов, поэтому внутренняя сходимость рейса оказалась сравнительно невысокой. Разность в значении Δg между прямым и обратным ходом составила 2,8 мгл. Эта величина не может сказаться существенно на всех дальнейших построениях, так как она более чем в 100 раз меньше разности между значением полного ускорения силы тяжести в Улан-Баторе и на Орок-нуре.
При выборе пунктов для измерений силы тяжести были приняты во внимание следующие соображения:
1. Поскольку цепь Гурбан-Богдо несомненно является относительно приподнятым блоком земной коры и процесс его воздымания продолжается, а впадины соответственно понижаются, то следует ожидать наиболее заметных изменений аномалий силы тяжести во времени толь ко между такими опускающимися и поднимающимися блоками. Отсюда и методика полевых работ должна была выбираться с таким расчетом, чтобы с наименьшей ошибкой определять приращение силы тяжести между двумя пунктами, из которых один располагается на хребте, второй—во впадине.
2. При относительно больших разницах в высотах хребта и впадин желательно было выбирать каждую пару пунктов таким образом, чтобы разность в силе тяжести между ними или укладывалась в рабочий диапазон прибора (105 мгл) или, в крайнем случае, в каждом рейсе было не более одной перестройки диапазона. Это положение будет понятно, если учесть, что намеченные к измерению пункты имели разницу в высотах до 870 м (от 1237 до 2106 м). Изменение силы тяжести при таком изменении высот составляет 270 мгл.
3. Все пункты должны быть хорошо опознаваемы на карте и на местности и иметь высотные отметки от уровня моря.
Вопрос о высотных отметках для плейстосейстовой области Гоби-Алтайского землетрясения в настоящее время вырос в большую научную и практически важную проблему. Как видно из описания последствий землетрясения, изложенного в других главах, почти весь хр. Гурбан-Богдо, по-видимому, несколько поднялся, а также испытал некоторое смещение блоков и по горизонтали. Все это сказалось и на точности существующих топографических карт района, изготовленных задолго до землетрясения. Существующие карты являются весьма ценным документом, фиксирующим рельеф до землетрясения. Сейчас необходимо провести новые большие топографические работы в плейстосейстовой области, а, возможно, и в более обширном районе для составления новых карт. Сопоставление старых и новых карт позволит определить объемы смещенных пород и амплитуды смещения. Начало этой работы уже положено силами Гоби-Алтайской экспедиции. Желательно провести теперь наземные работы по привязке и обработать материалы с целью составления новых карт. Без новой топографической основы не имело смысла вести частную нивелировку между гравиметрическими пунктами — в районе не осталось какого-либо репера, отметка которого не изменилась бы во время землетрясения. Это обстоятельство и заставило нас отказаться от нивелировки, а выбирать для гравиметрических пунктов такие точки, для которых ранее были известны точные высоты. Нужно надеяться, что для плейстосейстовой области будут составлены новые топографические карты и тогда пункты силы тяжести получат
188
новые более точные отметки, чем те, которые приняты нами из старых карт.
С учетом изложенного была принята следующая методика гравиметрических наблюдений:
а) относительные аномалии силы тяжести определялись от условно го нуля, за который принято наблюденное значение силы тяжести на юго-западном берегу оз. Орок-нур;
б) разница в наблюденных значениях силы тяжести между парой пунктов, один из которых расположен на хребте, а второй — во впадине, должна измеряться в одном рейсе продолжительностью не более 6— 8 часов;
в) изменение температуры прибора за время рейса не должно превышать 0,5—1°С.
г) все рейсы производятся с повторением измерений на всех пунктах. При такой методике отдельные звенья рейса неравноценны по своей
точности. Поскольку большинство пар пунктов было значительно удалено от исходного пункта, то переезд до них и обратно отнимал больше времени, чем на передвижение между парой пунктов, для которых требовалось определить относительные аномалии силы тяжести.
При обработке внутренняя сходимость таких рейсов определялась и на исходном пункте и на пункте во впадине. Обычно невязка рейса по наблюдениям на исходном пункте не превышала ±0,5—0,7 мгл, а на пунктах во впадинах ±0,2—0,4 мгл. Сползание нульпункта прибора, как правило, было линейным.
В плейстосейстовой области наблюдения силы тяжести сделаны на 22 пунктах, не считая промежуточных, на которых производилась перестройка диапазона прибора. Хотя промежуточные пункты и фиксировались в журнале, но поскольку их точная привязка к местности затруднительна, данные по ним не приводятся.
Только на четырех из 22 пунктов представилось возможным выполнить контрольные измерения, которые показали, что приращение силы тяжести между парой пунктов в одном рейсе определено со среднеквадратичной ошибкой ±0,2 мгл и относительно исходного пункта измерено со среднеквадратичной ошибкой порядка ±0,4 мгл.
На местности все пункты силы тяжести расположены на вершинах отдельных гор, на дюнах или слиянии ручьев, рек или сухих сайров. Перейдем к описанию результатов работ (по методам).
Графики магнитного поля
Графики магнитного поля отражают влияние двух главных факторов, определяющих в рассматриваемом районе структуру магнитного поля и, возможно, отражающих структуру земной коры. Первый фактор несомненно глубинный, связанный с наличием сравнительно четкой границы раздела земной коры на два слоя с различной интенсивностью намагничения. Второй фактор — горзонтальная петрографическая, •следовательно, и магнитная неоднородность самого верхнего слоя земной коры.
Рассмотрим сначала первый фактор. Если обратиться к геологической карте, то можно видеть, что комплекс пород, выходящих на дневную поверхность в цепи Гурбан-Богдо, весьма разнообразен. Несмотря на это, только некоторые разновидности пород оказались сравнительно сильномагнитными, а большинство, как правило, слабо-, или практически совсем немагнитны.
Наиболее магнитными в изученном районе оказались породы эффузивного комплекса (лавы). Над ними наблюдается особенно сложный характер графиков магнитного поля, что объясняется как изменением
189
мощности лавовых потоков и причудливой формой застывших лав, так и, возможно, различной интенсивностью их намагничения.
По Тормхонскому сайру (фиг. 73), где излияние лав происходило, вероятно, неоднократно, лавовые потоки пересечены маршрутом на большом протяжении. График ΔZ здесь сильно изрезан, и над лавами
Фиг. 73. Геофизический маршрут Долина Озер-Тормхонский сайр:
1 — график ΔZ; 2 — график радиоактивности; 3 — рыхлые осадочные образования; 4 — переслаивание осадочных пород и лав; 5 — точки наблюдений
в маршруте
наблюден наибольший градиент магнитного поля (до 300 γ на 1 м горизонтального проложения маршрута). Положительные аномалии достигают + 1700 γ, отрицательные аномалии — до минус 700 γ. Примерно таким же оказался график над лавами по маршруту Долина Озер — ущелье Битут — Ичету-гол при выходе маршрута из узкого ущелья Ичету-гола в Цагангольскую впадину (фиг. 74). «Пилообразный» характер графиков ΔZ над лавами наблюдался и по другим маршрутам. В большинстве случаев аномалии над лавами имеют положительный знак, отрицательные аномалии весьма редки и наблюдаются обычно на выклинивании базальтовых тел. Все это позволяет предполагать, что направление вектора остаточного намагничения пород совпадает с вектором современного магнитного поля Земли. Только в одном случае зафиксирована отрицательная магнитная аномалия над лавами, что позволяет высказать предположение о том, что в районе имеются лавы, у которых вектор намагничения не совпадает с направлением современного магнитного поля Земли. Такая аномалия наблюдена в районе вулкана Хатан-Суудал, отстоящего, примерно, на 30 км к югу от подножья массива Бага-Богдо. Маршрут от подножья Бага-Богдо на юг вначале был намечен только до урочища Гое (10 км от подножья), но затем вдали был замечен характерный по своей форме правильный усеченный конус вулкана Хатан-Суудал, так как характер магнитного поля над лавами непосредственно у канала извержения не был известен, маршрут удлинен до самого вулкана, т. е. еще на 20 км. К подножью вулкана отряд прибыл уже к концу дня, а поскольку ночевка здесь была невозможна, доста-
190
точного количества магнитных измерений в этом районе сделать не удалось.
Вулкан Хатан-Суудал сравнительно молод, его главный и три паразитических конуса удивительно хорошо сохранились, а в одном из паразитических конусов видна торчащая почти вертикально базальтовая игла. Местные жители и наш проводник Додж рассказали, что зимой снег на вулкане не держится, а быстро тает. Насколько эти сведения верны, сказать трудно, времени для измерения температуры пород мы не имели.
Фиг. 74. Геофизический маршрут Долина Озер-—Битут—Сэбсул-—Хушут — Ичету—гол—Цагангольская впадина:
1 —график ΔZ, 2 — расчетная кривая ΔZ; 3 — график радиоактивности; 4 — граниты; 5 — переслаивание осадочных пород и лав; 6 — ультраосновные породы; 7 — метаморфические сланцы; 8 —рыхлые осадочные образования; 9 — точки наблюдений в маршруте
Если по всему маршруту (фиг. 75) от подножья массива Бага-Богдо. до вулкана магнитное поле всюду отрицательно и обязано наличию региональной отрицательной аномалии интенсивностью до —450 у (о природе аномалии будет сказано ниже), то измерение на южном паразитическом конусе вулкана у торчащей из него базальтовой иглы выявило интенсивную локальную отрицательную аномалию (ΔZ до —1380 гамм). Обязана ли эта аномалия обратному направлению вектора остаточного намагничения лавы в жерле вулкана или тому, что прибор при измерении находился на 10—12 м ниже верхнего конца базальтовой иглы, установить не удалось за недостатком времени. Можно допустить, что вектор намагничения остывшей лавы в жерле вулкана направлен обратно современному магнитному полю Земли, так как при большой протяженности центральной трубки вулкана на глубину, измеряемой над вулканом, следовало ожидать большую положительную аномалию магнитного поля, а за его пределами — кольцевую отрицательную аномалию. Наблюденная аномалия противоречит ожидаемому характеру магнитного поля над вулканом.
Не останавливаясь более на вопросе о направлении вектора намагничения лав, отметим только, что наблюдения на вулкане Хатан-Суудал еще раз показали, что породы лавового комплекса являются наиболее намагниченными не только в пределах собственно плейстосейстовой области, но и за ее пределами.
191
Из других пород, с которыми также связаны интенсивные положительные магнитные аномалии, сравнительно высокой магнитной восприимчивостью обладают дуниты, пироксениты и тальковые сланцы, выходящие на поверхность на водоразделе ущелий Сэбсул и Хушут (маршрут Долина Озер — Битут— Ичету-гол). Над обнажениями этих пород наблюдена положительная аномалия до +600 γ (точки наблюдений 13— 20). Все другие породы, пересеченные маршрутами, по-видимому, слабомагнитны.
Огромные массивы порфировидных розовых гранитов практически совсем немагнитны и, например, аномалии над ними по ущелью Хушут
Фиг. 75. Геофизический маршрут подножья Бага-Богдо—
урочище Гоё — вулкан Хатан-Суудал:
1 — график ΔZ; 2 — график радиоактивности; 3 — точки наблюдений в маршруте; 4 — граниты; 5 — лавы; 6 — рыхлые осадочные образования
не превышают нескольких десятков гамм (точки наблюдений от № 22 до 36 по маршруту Долина Озер — Битут — Ичету-гол). Осадочный комплекс также практически немагнитен — вариации магнитного поля не превышают первых десятков гамм. Даже там, где огромное количество обломков основных и ультраосновных пород снесено по сайрам во впадины, примыкающие к цепи Гурбан-Богдо, заметных магнитных аномалий над скоплениями глыбового материала не наблюдалось. Эти глыбы расположены хаотично, и их суммарный аномальный эффект невелик.
Таким образом, наблюдения позволяют считать, что в общем случае разнообразный комплекс пород, развитых в плейстосейстовой области по своим магнитным свойствам укладывается в общую закономерную схему намагничивания пород земной коры, т. е. наиболее намагниченными являются ультраосновные (дуниты, пироксениты и др.) и основные породы (базальты), менее магнитны породы кислой магмы (гранитоиды и их производные) и осадочного комплекса. Чередование пород различного состава в верхней части земной коры и создает сложный характер графиков магнитного поля над хр. Гурбан-Богдо.
Там, где маршруты пересекали трещины или зоны разломов, возникшие 4 декабря 1957 г., производились наиболее детальные наблюдения. Однако каких-либо заметных аномалий в этих местах мы не зафиксировали, так же как и геофизики Монгольского геологического управления.
Интересный материал дают магнитные графики для суждения о глубинном строении земной коры. Если обратиться к тем отрезкам марш-
192
рутов, какие пролегали от подножья хребта во впадины, то в тех случаях, когда лавовые тела не искажают общий характер регионального магнитного поля, можно заметить постепенное уменьшение отрицательной региональной магнитной аномалии от хребта к центральным частям впадин. Это явление особенно хорошо выражено в Долине Озер. Например, на тормхонском маршруте у входа в ущелье (точка 13) аномалия ΔZ составляет минус 100 γ (фиг. 73). По мере продвижения к центру Долины Озер аномалия очень закономерно уменьшается до нуля (точки 1 и 2) и далее становится даже слабоположительной ( + 40 γ в точке 0). Такой же характер магнитного поля, но с несколько большей амплитудой
Фиг. 76. Геофизический маршрут по сайру Улан-булак
1 — график ΔZ; 2 — график радиоактивности; 3 —переслаивание осадочных пород и лав; 4 — рыхлые осадочные образования; 5 — точки наблюдений в маршруте
отрицательной аномалии, наблюдался и на маршруте от подножья массива Бага-Богдо к вулкану Хатан-Суудал (фиг. 75). При маршруте Долина Озер — Битут — Ичету-гол отмечен региональный отрицательный магнитный фон над всем хр. Гурбан-Богдо (фиг. 74). Этот аномальный фон уменьшается к середине примыкающих к хребту впадин. Подобный же вид графика наблюден и по сайру Улан-Булак (фиг. 76).
Наличие региональной отрицательной магнитной аномалии над хр. Гурбан-Богдо несомненно, но установить ее интенсивность и форму графика без аэромагнитной съемки очень трудно. Примерный ее характер для маршрута Долина Озер — Битут — Ичету-гол показан пунктирной линией (фиг. 74). Над водоразделом Гурбан-Богдо интенсивность региональной отрицательной аномалии ΔZ достигает 200—250 γ и уменьшается до нуля во впадинах.
Если допустить, что региональная аномалия связана с различной глубиной залегания какого-то более намагниченного слоя земной коры, приподнятом во впадинах и опущенном под хребтом, то сугубо примерная глубина до такого слоя под хребтом на 15—20 км больше, чем под впадинами.
Радиоактивность пород, воздуха и вод
Радиометрические исследования, носившие рекогносцировочнный характер, позволяют в какой-то мере оценить общую радиоактивность района, обязанную совокупному воздействию большого числа естественных излучателей уранового и ториевого рядов и активного изотопа калия (К40). Что же касается выяснения природы самих активных излучателей и роли каждого из них в общем балансе радиоактивности тех или иных
193
пород или всего исследованного района, то мы не ставили перед собой такой задачи и не имели в своем распоряжении ни соответствующей анализирующей аппаратуры, ни времени.
Общая радиоактивность района оценивалась главным образом по суммарной гамма-активности пород, вод и воздуха, Радиометр Свет-Ill как нельзя лучше отвечал решению такой задачи. Прибор совершенно не чувствителен к альфа-излучению, так как его сцинтилляционный кристалл изолирован алюминиевой гильзой, полностью поглощающей альфа-частицы. Возможность воздействия на прибор бета-излучения также значительно ограничена очень высоким порогом чувствительности радиометра к этому виду излучения. Радиометр мог фиксировать только такое бета-излучение, энергия которого превышает 2 Мэв, а, как известно, только четыре естественных радиоактивных элемента испускают бета-излучение с энергией порядка 2 Мэв или несколько больше. Однако и эти четыре бета-излучателя не могут содержаться в сколь-либо больших количествах на поверхности Земли, так как период полураспада у них очень мал (RaC: энергия бета-излучения 3,15 Мэв, период полураспада 19,7 минут: RaC11, соответственно, 1,95 Мэв и 1,32 минуты; UХ2 — 2,32 Мэв и 1,14 и ThC —2,20 Мэв и 60,5 минуты).
Наоборот, чувствительность радиометра Свет-III к гамма-излучению примерно одинакова по всему спектру. Порог чувствительности прибора к гамма-квантам составляет всего 50 кэв, а наименьшая энергия, какой обладают гамма-кванты естественных излучателей, составляет уже 68 кэв (ионий). Следовательно, можно считать, что при проведении радиометрических измерений в плейстосейстовой области фиксировалось суммарное гамма-излучение всех естественных радиоактивных элементов, присутствующих в породах, воде или воздухе на том или ином участке работ. Какое-то, но, вероятно, незначительное влияние на показания радиометра оказывало и бета-излучение больших энергий.
Забегая вперед, укажем, что радиоактивность на некоторых участках района настолько значительна и выходит за пределы средней величины радиоактивности для всей Земли, что в первые дни у нас появилось даже сомнение в нормальной работе прибора. Однако первые же наблюдения над радиоактивностью пород в удалении от хр. Гурбан-Богдо рассеяли эти сомнения, так как удалось установить минимальный натуральный фон для района, и по отношению к этому фону определить величины радиоактивных аномалий над различными породами.
В общем случае при движении от хребта к центральным частям низин естественная радиоактивность осадочных пород и воздуха понижается. Минимальная радиоактивность наблюдена в центральной части Долины Озер против ущелья Битут, где она составляет 8—10 мкр/час. Эта величина и принята за натуральный фон для всего района. В восточном отрезке Долины Озер, против Тормхонского сайра, радиоактивность в центре впадины несколько выше (12—14 мкр/час), а к югу от цепи Гурбан-Богдо, в Цагангольской впадине и на равнине, примыкающей с юга к Бага-Богдо, даже до 16—20 мкр/час. По-видимому, вся южная часть территории МНР имеет более высокий натуральный фон, так как в аймачном центре Арбай-Хэрэ фон не превышает уже 6—8 мкр/час (центральная Монголия), а в Улан-Баторе всего 4—6 мкр/час. Закономерное возрастание радиоактивности пород от центра к бортам впадин, по всей вероятности, указывает на то, что по мере удаления от хребта происходит разубоживание радиоактивными минералами рыхлой толщи, заполняющей впадины и состоящей из продуктов разрушения пород, слагающих горные хребты.
Описанный характер изменения радиоактивности осадочной толщи во впадинах можно видеть на графиках по маршрутам Долина Озер — Битут — Ичету-гол и по Тормхонскому сайру (см. фиг. 73 и 74).
194
Совершенно иной характер графиков гамма-активности пород наблюден в пределах цепи Гурбан-Богдо. Наиболее показателен в этом отношении график по маршруту Долина Озер — Битут — Ичету-гол. Здесь среднее значение гамма-активности пород в обнажениях колеблется около 15—20 мкр/час, но имеют место и большие аномалии. Так, над обнажением хлоритовых сланцев в устье ущелья Сэбсул суммарная гамма-активность пород составляет на 19-ой точке 68 мкр/час (за вычетом фона 57 мкр/час)1. Наблюдения над розовыми мелкозернистыми гранитами (точка 25) снова показывают повышение гамма-активности домкр/час. Между точками 26 и 42 маршрут проходил по ультраосновным породам, над которыми гамма-активность не превышает 18—24 (8—14) мкр/час. Новое повышение до 57—63 (47—53) мкр/час наблюдается над массивом порфировидных розовых гранитов (точки 43—46) в ущелье Хушут. Конец маршрута приходится на лавовое поле и осадочную толщу Цагангольской впадины, где гамма-активность пород не превышает 16—20 (6—10) мкр/час.
В этом же маршруте при возвращении на базу экспедиции было выявлено обнажение хлоритовых сланцев, над которым гамма-активность составиламкр/час. Обнажение находится в ущелье Сэбсул, в урочище Битутайн-Улзвар. По нашей просьбе проводник Сангидорж отметил место аномалии и поставил на нем гурий.
Таким образом, маршрут Долина Озер—Битут — Ичету-гол позволил выделить три разновидности пород, радиоактивность которых заметно выше радиоактивности всех других пород района. На первом месте стоят хлоритовые сланцы, затем следуют порфировидные розовые граниты и на третьем — мелкозернистые розовые граниты. Все другие осадочные, метаморфические и магматические породы не обладают сколько-нибудь повышенной радиоактивностью. Повышенная радиоактивность (до 57 мкр/час) порфировидных розовых гранитов отмечается и в массиве Бага-Богдо (маршрут от подножья Бага-Богдо к вулкану Хатан-Суудал).
Массовое опробование на радиоактивность образцов пород (около 2000 шт.) подтвердило, что только три указанные разновидности пород обладают повышенной гамма-активностью, которая составляет от 1 до 2—3 мкр/час на каждые 100 г веса образца. Образцы серых гранитов не показали заметной радиоактивности.
Если обратиться к геологической карте плейстосейстовой области, то можно видеть, что комплекс кислых пород, представленный главным образом гранитами, занимает очень большие площади. Данные магнитной съемки позволяют считать, что массивы этих пород на глубинах до 10—20 км превалируют над другими породами, поэтому большие массы розовых гранитов могут являться одним из главных носителей радиоактивного начала в изученном районе. Исследование радиоактивности гранитов в обнажениях и на образцах указывает на равномерное распределение, в них радиоактивных элементов. Каких-либо локальных аномалий, связанных с местным скоплением радиоактивных элементов, не встречено.
Является ли повышенная радиоактивность гранитов следствием повышенного содержания в них каких-либо минералов тория, урана или активного изотопа калия, судить трудно. Несомненно лишь, что радиоактивность гранитов первичная, а радиоактивные минералы в них образовались во время кристаллизации кислой магмы.
Заслуживает внимания то обстоятельство, что граниты, в том числе и розовые, в других районах земного шара более радиоактивны, чем
1 В дальнейшем в скобках будет указываться аномалия без фона.
195
породы иного состава, но над ними наблюдаются аномалии гамма-активности всего до 10—25 (редко 35) мкр/час, тогда как в районе хр. Гурбан-Богдо интенсивность аномалий над гранитами достигает 47— 53 мкр/час.
Повышенная гамма-активность хлоритовых сланцев имеет несомненно вторичное происхождение и связана, по-видимому, с привносом радиоактивных элементов с глубины и с последующим выпадением этих элементов (вернее их соединений) в трещинах отдельности хлоритовых сланцев.
Наблюдения над трещинами и зонами разлома, возникшими 4 декабря 1957 г., не показали заметного повышения гамма-активности как внутри трещин, так и над ними. Только в одном случае над маленькой трещиной (шириной 3—4 см и длиной 5—6 м), проходящей по эффузивам на северном склоне хр. Гурбан-Богдо против западного конца оз. Орок-нур, вполне уверенно зафиксировано повышение активности воздуха на 3—4 мкр/час.
Исследовалась также радиоактивность вод ручьев Битут, Ичету-гол, Цаган-гол, оз. Орок-нур и многочисленных источников, вытекающих из осадочных, метаморфических и магматических пород, но какого-либо заметного повышения их радиоактивности не замечено, наоборот, над оз. Орок-нур гамма-активность оказалась даже несколько ниже, чем над южным берегом озера (разница составила 4—6 мкр/час).
В заключение нам хочется еще раз обратить внимание будущих исследователей этого района на аномально высокую радиоактивность розовых гранитов цепи Гурбан-Богдо. Заслуживает внимания то, что, по данным работников геологической службы МНР, все другие массивы гранитов на территории республики имеют радиоактивность в пределах Нормы, т. е. до 20—35 мкр/час. Следовательно, розовые граниты Гурбан-Богдо являются по своей радиоактивности исключением не только среди гранитов многих районов земного шара, но и самой Монголии. Интересен и тот факт, что массивы гранитов в Гурбан-Богдо имеют большое распространение. Было бы важно провести специальные исследования массивов розовых гранитов с целью выяснения природы и количества содержащихся в них радиоактивных элементов. Это может дать интересный материал и для понимания тектоники плейстосейстовой области, так как при очень высокой радиоактивности розовых гранитов и, возможно, большой их массе на глубине они могут генерировать огромное количество тепла, которое частично должно идти на увеличение теплового потока на поверхности Земли, а частично затрачиваться на тектонические процессы. Не является ли следствием этого процесса и само Гоби-Алтайское землетрясение, последствия, а не причину которого мы наблюдаем в виде тех огромных разломов земной коры, какие прорезали плейстосейстовую область в различных направлениях.
В программу исследований массивов розовых гранитов желательно также включить определение геотермической ступени как на хребте, так и в примыкающих к нему впадинах. Можно предполагать, что геотермическая ступень над розовыми гранитами вряд ли будет больше 15—20 град/м, тогда как во впадинах она составит не менее 30— 40 град/м. Различие теплового баланса хребта и впадин определяет и различие в температурах на одних и тех же глубинах плейстосейстовой области.
ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ АНОМАЛИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ В ПЛЕЙСТОСЕЙСТОВОЙ ОБЛАСТИ
Измерения силы тяжести выполнены на 22 пунктах, что далеко недостаточно для характеристики гравитационного поля плейстосейстовой области. Однако наблюденные в ней аномалии Фая и Буге настолько
196
показательны, что даже по малому числу пунктов можно заметить очень интересные особенности в строении поля силы тяжести, а также его связи со структурами земной поверхности и всей толщи земной коры.
При описании аномалий приводятся численные значения только их относительных величин. За условный нуль относительных аномалий приняты полные значения аномалий Фая и Буге над юго-западным берегом оз. Орок-нур.
Аномалии Фая
Как известно, в равнинных районах аномалии Фая имеют обычно небольшую величину и в этом отношении приближаются к изостатическим аномалиям. В горных районах амплитуды аномалий Фая несколько отличаются от таковых изостатических аномалий, но все же сравнимы с ними, если отдельные блоки земной коры таких районов близки к изостатическому равновесию. Исходя из этих общих положений, проанализируем характер аномалий Фая над плейстосейстовой областью. Измерения силы тяжести и все дальнейшие рассуждения о характере и природе наблюденных аномалий относятся только к той части изученной площади, которая располагается в указанной амплитуде абсолютных высот. Как это будет показано на таблицах и графиках, примерная величина ожидаемых аномалий над самыми высокими участками хребта может быть оценена по тем особенностям в распределении поля силы тяжести, какие намечаются из наблюдений на 22 пунктах. Поскольку район имеет весьма расчлененный рельеф с большими градиентами высот (до 1 км/км), то величина поправки за рельеф приобретает здесь существенное значение. Подсчитанная величина этой поправки для пункта 4, расположенного в слиянии глубоких ущелий рек Битут и Сэбсул, составляет 22 мгл. Хребет в районе этого пункта имеет наибольшие превышения над точкой наблюдений (ущелья прорезают самый высокий массив хребта — массив Ихэ-Богдо с высотой около 4000 м, и величина поправки за рельеф здесь, по-видимому, должна быть максимальной). В центральной части Долины Озер величина поправки за рельеф составляет всего —1—1,5 мгл. Для всех других пунктов величина поправки за рельеф не определялась, но, учитывая большую амплитуду изменения аномалий Фая и закономерное их распределение, недоучет влияния рельефа на поле силы тяжести не может существенно изменить представление об общем характере поля.
Общая амплитуда относительных аномалий Фая для всех пунктов, имеющих абсолютную высоту от 1237 до 2106 м, составляет 126,9 мгл. Аномалии в общем случае увеличиваются по своей абсолютной величине от Долины Озер к Цагангольской впадине и к хр. Гурбан-Богдо. Наименьшее значение аномалии Фая определено для пункта 1, расположенного на дюне южного берега Орок-нур с высотной отметкой 1237,1 м. Аномалия Фая равна здесь — 3,4 мгл. Наибольшая величина аномалии наблюдена на горе Орцак-ула. При высоте горы 2106,5 м относительная величина аномалии Фая на ней составляет +123,5 мгл. Из этих данных можно сделать вывод о том, что минимальные величины аномалий Фая в изученном районе наблюдаются над наиболее пониженными участками местности, а максимальные — над повышенными. В общем случае этот вывод справедлив для большинства пунктов, на которых проводились измерения, но имеются и небольшие отклонения. Например, при почти равной высоте горы Адагын-Хуху-ула (1985,6 м) и южного бэдленда массива Ихэ-Богдо (1974,6 м) аномалии Фая над ними отличаются на большую величину (соответственно +121,5 мгл и +72,8 мгл). Более внимательное рассмотрение величин аномалий Фая позволяет установить
197
причину таких отклонений. В частности, отклонения от общего увеличения аномалий с высотой местности зависят от того, в каких структурных условиях располагаются пункты наблюдений и какой состав, точнее, какова плотность пород под ними. Во впадине Долины Озер, занимающей и в рельефе местности и в общем структурном плане района самое низкое положение, наблюдены самые малые величины относительных аномалий Фая. Величины этих аномалий тем меньше, чем меньше высота точки наблюдений. Следовательно, осевой части впадины, вероятно, соответствующей и оси наибольшего прогибания кристаллического фундамента, отвечают наименьшие величины аномалий Фая. Последние по оси впадины изменяются почти в прямой зависимости от высоты пунктов наблюдений, как это видно на фиг. 77. Градиент аномалий здесь равен
Фиг. 77. График зависимости относительных аномалий Фая от высоты в Долине Озер
0,32 мгл/м. Для пунктов, расположенных в прибортовых частях впадины, прямолинейность графика нарушается (например, пункт 19, в устье сайра Улан-Булак) и аномалии Фая быстро возрастают по своей величине. Цагангольская впадина по высоте занимает среднее положение между Долиной Озер и водоразделом хр. Гурбан-Богдо, поэтому и величины относительных аномалий Фая здесь больше, чем в Долине Озер, но меньше, чем над превышающими ее точками хребта. Среднее значение аномалий Фая над этой впадиной около +80 мгл. Что же касается хребта, то аномалии Фая над ним увеличиваются с увеличением высоты, но и здесь имеются отклонения, указанные выше для гор Адагын-Хуху-ула и бэдленда на южном склоне Ихэ-Богдо.
Обращает на себя внимание необычайно большой горизонтальный градиент аномалий Фая. На расстоянии всего порядка 6 км между пунктами 17 и 19 аномалии Фая изменяются на 101,7 мгл, что дает величину горизонтального градиента 16,5 мгл/км. Столь большие горизонтальные градиенты аномалий Фая вообще исключительно редки. Например, в Прибайкалье, где амплитуда новейших тектонических движений сравнима с амплитудой таковых в Гобийском Алтае, горизонтальный градиент аномалий только на одном участке (дельта р. Селенги) достигает 8 мгл/км.
На всех других исследованных участках Прибайкалья горизонтальный градиент не превышает 2—3 мгл/км.
Средний вертикальный градиент аномалий Фая в изученном районе, по данным наблюдений в пределах высот от 1237 до 2106 м, равен 0,14 мгл/м, что тоже следует считать весьма большой величиной. Если такая величина вертикального градиента сохраняется и на больших высотах хр. Гурбан-Богдо (от 2106 до 4000 м), то над его вершиной следует ожидать относительные аномалии Фая до +300 —350 мгл.
Большие амплитуды изменений аномалий Фая, а также очень большие величины горизонтального и вертикального градиентов силы тяжести позволяют отнести рассматриваемый район к числу наиболее интересных в гравиметрическом отношении районов земного шара.
198
Достаточно сказать, что такие большие величины аномалий Фая при столь значительных градиентах, как нам известно, наблюдены только в районах островных дуг Индонезии и Японии. На суше примерно такая же амплитуда аномалий Фая наблюдается в районах Средней Азии, но горизонтальный градиент здесь значительно меньше, чем в плейстосейстовой области Гоби-Алтайского землетрясения.
Следует иметь в виду, что измеренная амплитуда аномалий Фая на самом деле, возможно, еще несколько больше, так как в приводимые цифры не введена поправка за рельеф, за счет недоучета которой относительные аномалии над хр. Гурбан-Богдо несколько преуменьшены.
Что касается полных аномалий Фая, то в Долине Озер они всюду отрицательны, в Цагангольской впадине положительны, но величина их не превышает первых десятков миллигал и, наконец, на хр. Гурбан-Богдо аномалии Фая всюду положительны и величина их в 2—3 раза больше, чем в Цагангольской впадине.
Аномалии Буге
Амплитуда относительных аномалий Буге, при принятой средней плотности промежуточного слоя 2,67 г/см3 равна всего 47,7 мгл, т. е. примерно в 2,5 раза меньше амплитуды относительных аномалий Фая. По-видимому, принятая плотность промежуточного слоя 2,67 г/см3 характеризует только изверженные и метаморфические породы цепи Гурбан-Богдо, а для молодых отложений, заполняющих впадины, следует принять несколько меньшую плотность. Судя по гранулометрическому составу, плотность этих осадков в естественно влажном состоянии не превысит 2,3 г/см3. Мы приняли ее равной 2,27 г/см3. Если считать плотность промежуточного слоя диференцированной (2,27 г/см3 во впадинах и 2,67 г/см3 под хребтом), то амплитуда изменения аномалий Буге значительно уменьшается и будет равна всего 36,2 мгл.
Несколько труднее оценить среднюю плотность промежуточного слоя в прибортовых частях впадин, где этот слой сложен всем комплексом древних и молодых пород, а поэтому при плотности 2,27 г/см3 здесь, вероятно, несколько преуменьшены величины поправки за притяжение промежуточным слоем, а отсюда завышены относительные аномалии Буге над прибортовыми участками впадин. Но и в этом случае амплитуда аномалий Буге не может быть больше 36,2 мгл, так как над бортами впадин отрицательная аномалия Буге меньше, чем над центральной частью впадин и больше, чем над хребтом.
Если принять значение относительной аномалии Буге на юго-западном берегу оз. Орок-нур за нуль, то только над тремя точками (1, 16 и 19) относительные аномалии будут отрицательны (соответственно —2,5; —8,9; —6,0 мгл) при средней плотности промежуточного слоя 2,67 г/см3. При дифференцированной плотности промежуточного слоя относительные отрицательные аномалии Буге будут уже на семи точках (1—4, 18, 20 и 21), где значение их будет соответственно —2,7; —8,4; —2,7; —5,2; —7,9; —9,5; —15,6 мгл. Над всеми другими точками относительные аномалии Буге положительны, но не превышают +20,6 мгл.
На общем очень интенсивном отрицательном региональном фоне полных аномалий Буге указанные величины отрицательных относительных аномалий невелики и, по-видимому, вызваны особенностями строения самых верхних частей земной коры.
199
Некоторые предположения о структуре земной коры плейстосейстовой области по гравиметрическим данным
1. Судя по величинам полных и относительных аномалий Фая, блоки земной коры плейстосейстовой области выведены из изостатического равновесия. Данные наших измерений не позволяют установить, насколько далеко от хр. Гурбан-Богдо распространена область нарушения изостатического равновесия, но блоки земной коры, которым на поверхности отвечают такие структурные единицы, как Долина Озер, Цаган-гольская впадина и хр. Гурбан-Богдо, несомненно неуравновешены. Размеры этих трех блоков по ширине очень невелики, поэтому факт нарушения изостатического равновесия выявляется очень отчетливо. Насколько далеко протянулась полоса нарушения равновесия по простиранию структур, судить трудно, так как измерения силы тяжести выполнены только в центральной части хр. Гурбан-Богдо и в примыкающих к нему впадинах. Можно высказать предположение, что, и хребет и смежные с ним впадины на всем своем протяжении неуравновешены. При этом под впадиной Долины Озер имеется дефект, а под хр. Гурбан-Богдо и меньший под Цагангольской впадиной — избыток тяжелых масс. Подошва земной коры в общем виде повторяет рельеф земной поверхности, а глубоких «корней» коры под хребтом нет. Следовательно, в рассматриваемом районе имеет место не только отклонение земной коры от изостатического равновесия, но и по самой структуре коры этот район отличается от большинства молодых и древних складчатых областей земного шара.
2. Поскольку относительные аномалии Буге в плейстосейстовой области численно значительно меньше аномалий Фая и стремятся к нулю при введении поправки за промежуточный слой с дифференцированной плотностью, а полная аномалия Буге при этом почти всюду одинакова, имеются основания относить такой характер аномалий Буге за счет глубокого погружения кристаллического фундамента в Долине Озер и поднятия его на хребте. Погружение фундамента во впадине и поднятие его в районе хребта не компенсированы соответствующим поднятием подкорового вещества под впадиной и опусканием под хребтом. В этом отношении хр. Гурбан-Богдо сравним с Байкальским и Приморским хребтами Прибайкалья, а впадина Долины Озер — со впадиной оз. Байкал. В обоих случаях над хребтами наблюдаются положительные аномалии Фая, а над впадинами — отрицательные. Отличие этих двух районов состоит в том, что в Прибайкалье имеет место общее увеличение мощности земной коры под веем Саяно-Байкальским сводовым поднятием, а на фоне этого увеличения имеются локальные поднятия подошвы коры под названными хребтами и прогиб ее под впадиной Байкала; в то же время под всей плейстосейстовой областью Гоби-Алтайского землетрясения, по-видимому, мощность коры сравнительно постоянна, но блок хр. Гурбан-Богдо приподнят, а блок впадины Долины Озер опущен.
3. Сопоставляя направление современных вертикальных движений земной коры в плейстосейстовой области со знаками и величинами аномалий Фая можно сделать вывод о том, что положительные аномалии над хр. Гурбан-Богдо и отрицательные над Долиной Озер имеют тенденцию не к уменьшению, а к дальнейшему росту. Иначе говоря, современные движения еще больше отклоняют земную кору от изостатического равновесия в этом районе. Во время землетрясения хр. Гурбан-Богдо поднялся местами до 9 ж относительно Долины Озер, следствием чего должно быть увеличение положительных над хребтом и отрицательных аномалий Фая над впадиной, если соответственно поднятию хребта и опусканию впадины приподнялась и опустилась подошва коры.
На вопросе о характере возможного изменения аномалий Фая и Буге при Гоби-Алтайском землетрясении, мы остановимся еще раз при сопоставлении результатов комплексных геофизических наблюдений.
200
Элементы структуры земной коры плейстосейстовой области
Исключительно большие амплитуды аномалий силы тяжести (Фая), высокая радиоактивность некоторых разновидностей пород, характер графиков магнитного поля и те последствия землетрясения, какие нам представилось возможным наблюдать, позволяют отнести изученный район к числу наиболее подвижных внутриконтинентальных районов. Анализируя в совокупности материалы рекогносцировочных геофизических работ и сопоставляя их с характером разломов, можно высказать некоторые предположения о глубинной структуре и о природе повышенной сейсмической активности земной коры в плейстосейстовой области.
1. Данные магнитной съемки позволяют сделать допущение об увеличении мощности гранитного слоя земной коры под хр. Гурбан-Богдо. Мощность гранитного слоя под хребтом примерно на 20 км больше, чем под Долиной Озер, где она равна приблизительно 10 км. Геологические наблюдения показывают, что в ядре хребта особенно распространены розовые порфировидные граниты. Последние имеют очень высокую радиоактивность (до 65 мкр/час), превышающую среднюю радиоактивность гранитов других районов Земли в 2—3 раза.
Обладая более высокой радиоактивностью, чем другие породы земной коры и подкоровое вещество, граниты способны генерировать тепло. Генерация тепла гранитами в среднем, по (1953), равна 2,10~13 кал/см3 • сек. Так как розовые граниты плейстосейстовой области в 2—3 раза - более радиоактивны, чем те, для которых дает свои расчеты Магницкий, генерация ими тепла под хр. Гурбан-Богдо может составить 4—6 • 10-13 кал/см3•сек. Часть генерируемого гранитами тепла уходит в виде теплового потока в атмосферу, а какая-то часть затрачивается на разогрев самого массива гранитов. При повышении температуры естественно ожидать увеличения объема гранитного массива (коэффициент термического расширения гранитов равен 11•10-6), если последний имеет возможность свободного расширения. Если же массив сжат, а внешние тангенциальные силы по своей величине превышают давление сил, стремящихся расширить массив гранита, то он длительное время может сохранять почти первоначальный объем, но при малейшем внешнем воздействии эти силы могут проявиться и привести не только к увеличению объема, но и к растрескиванию. По-видимому, возможность подобного внезапного расширения гранитного массива нельзя исключать и в рассматриваемом примере. Сопоставление амплитуды вертикальных смещений и характера самих трещин разломов с вероятной генерацией тепла и температурой в гранитном массиве под хр. Гурбан-Богдо делает такое допущение вполне вероятным.
Если принять мощность всего массива гранита под хребтом в 30 км и допустить, что амплитуда поднятия хребта во время землетрясения составила 6 м, то для того, чтобы линейное расширение верхнего (гранитного) слоя земной коры составило последнюю величину", средняя температура гранитного массива под хребтом должна быть выше температуры верхней части земной коры во впадинах, обрамляющих хребет, примерно на 20° С, т. е. на сравнительно небольшую величину. Относительное расширение массива составляет всего 2 • 10-4.
Таким образом, незначительное, но вполне возможное повышение температуры в гранитном массиве за счет генерации тепла, выделяемого при радиоактивном распаде, может обусловить наблюдаемую амплитуду вертикальных смещений в области Гоби-Алтайского землетрясения.
Наблюдения над характером разломов и смещений по ним свидетельствуют о возможном расширении блоков земной коры. Если допустить, что смещение блоков связано с их расширением, то амплитуда
201
смещения должна быть неодинаковой для различных по мощности блоков коры. Очевидно, что чем больше мощность блока, тем больше должна быть амплитуда смещения. Факты подтверждают и это положение. Конечно, определить величину дифференцированного смещения блоков по главным разломам, проходящим вдоль северного и южного подножий хр. Гурбан-Богдо, было невозможно, так как трещины этих разломов доступны для. непосредственного изучения только на глубину 5—6 м, а зачастую еще меньше. Однако решение этой задачи облегчается; если произвести измерение амплитуд смещений тех разломов, какие захватывают
|
Фиг. 78. Характер трещины разлома через отдельную вершину в верховьях рекСэбсул и Ичету-гол |
только приповерхностные части хребта. Схематично одна из таких трещин показана на фиг. 78. Она начинается у подножья отдельной вершины в массиве Ихэ-Богдо на участке водораздела ручьев Сэбсул и Ичету-гол. Ширина трещины увеличивается от миллиметров внизу, до 25— 30 см на вершине горы.
Вместе с расширением трещины растет и амплитуда вертикального смещения по ней. У подножья смещение равно нулю, а на вершине горы — 30 см. При относительной высоте горы, равной примерно 300 м, относительное расширение пород на таком протяжении составляет 1•10-3. Подобного же типа трещины, с явно выраженным дифференцированным смещением пород по ним, наблюдались и на других участках хр. Гурбан-Богдо и, в частности, на бэдлендах подножий Ихэ-Богдо.
Таким образом, повышенной радиоактивностью гранитного массива под хр. Гурбан-Богдо, где граниты имеют значительно большую вертикальную мощность, чем под впадинами, можно попытаться объяснить как причину самого землетрясения, так и его последствия, выразившиеся в растрескивании земной коры и перемещении ее блоков.
Наибольшая температура и, следовательно, наибольшие силы расширения в гранитном массиве могут ожидаться в подошве массива, и здесь они могут не только сравняться с внешними тангенциальными силами, но и превысить их на величину, достаточную не только для расширения, но и для образования многочисленных разломов.
2. Вероятное расширение массива радиоактивных гранитов под хр. Гурбан-Богдо может быть только частным явлением на фоне более общего и мощного тектонического процесса, в ходе которого образовались хребет и обрамляющие его впадины. Интенсивные положительные аномалии Фая над хребтом и несколько меньшие отрицательные аномалии над Долиной Озер, сравнимые по своей величине с поправкой за притяжение промежуточным слоем, несомненно указывают на отклонение этих •блоков земной коры от изостатического равновесия. Учитывая существующие материалы по тектонике и геологии южной части МНР, можно утверждать, что блоки хр. Гурбан-Богдо и Долины Озер не находятся в состоянии даже относительного покоя, а продолжают подниматься (хребет) и опускаться (впадины). Следствием такого движения блоков может являться дальнейшее нарастание амплитуды аномалий Фая. Именно этот процесс, связанный с какими-то 'кинетическими явлениями в подкоровом веществе, и является главным процессом, изучение которого позволит понять направление развития структуры земной коры и •более общие причины не только Гоби-Алтайского, но и других землетрясений на территории Монголии и, возможно, в Прибайкалье.
Как указывалось, под хр. Гурбан-Богдо имеет место избыток, а под
202
впадиной Долиной Озер дефект тяжелых масс. Вместе с тем под хр. Гурбан-Богдо, по данным магнитной съемки, можно предполагать увеличение мощности гранитного слоя, плотность которого меньше, чем плотность базальтового слоя коры и подкорового вещества. Расчеты показывают, что избыток масс под хр. Гурбан-Богдо примерно равен массе хр. Гурбан-Богдо, а отсюда следует, что дефект масс, образовавшийся за счет увеличения мощности гранитного слоя, компенсирован или за счет уменьшения мощности базальтового слоя или за счет поднятия подкорового вещества. Но и в этом случае остается некомпенсированной
|
вся та тяжелая масса пород, которая составляет относительное поднятие хр. Гурбан-Богдо над Долиной Озер.
Фиг, 79. Схематические колонки земной коры плейстосейстовой области 1 — гранитный слой; 2 — базальтовый слой; 3 — подкоровое вещество |
В последние годы некоторые исследователи приходят к выводу о том, что земная кора состоит не из двух (гранитного и базальтового), а из одного слоя и предлагают принять среднюю плотность коры равной 2,84 г/см3. Мы не можем согласиться с такой точкой зрения, во всяком случае для Прибайкалья и Монголии, так как магнитные данные несомненно указывают на наличие если не плотностной, то магнитной границы раздела в земной коре. Возможно, что такой границы раздела между двумя слоями коры и нет, но несомненно, что на какой-то глубине (различной в разных районах) в коре резко увеличивается количество минералов с высокой магнитной проницаемостью, доказательством чего служит наличие региональных аномалий, связанных с различной глубиной залегания границы раздела земной коры по магнитным свойствам на два слоя. Доказано, что эта граница в Прибайкалье располагается где-то в средней части земной коры. Возможно, что под хр. Гурбан-Богдо она находится на глубине примерно 30 км. Все это позволяет нам во всех построениях принимать двухчленное
строение земной коры, относя условно к гранитному слою породы бедные магнитными минералами, а к базальтовому слою — породы, относительно обогащенные магнетитом.
Исходя из сказанного, мы принимаем плотность гранитного слоя, как и ранее, равной 2,67 г/см3, плотность базальтового слоя — 2,90 г/см3 и подкорового слоя — 3,27 г/см3. Принимая эти плотности, а также наблюденные значения аномалий силы тяжести в плейстосейстовой области и учитывая абсолютные высоты хр. Гурбан-Богдо и Долины Озер, мощность всей коры и гранитного слоя, были построены схематические колонки земной коры для Долины Озер и хр. Гурбан-Богдо (фиг. 79). Малое количество материалов и, в частности, отсутствие каких-либо других данных о полной мощности земной коры1 не позволяют судить о величине ошибки в принятой нами мощности земной коры (60 км для Долины
1 Мощность земной коры для плейстосейстовой области определена по графикам зависимости аномалий Буге от мощности земной коры, выведенной для других районов Земли.
203
Озер), поэтому и сами схематические колонки могут нести какую-то ошибку в определении мощности отдельных слоев. Но и в этом случае сравнительная характеристика двух составленных нами колонок коры в общих чертах, вероятно, отражает особенности строения коры под хребтом и под впадинами. Можно считать, что мощность гранитного слоя под хребтом больше, чем под Долиной Озер, и, наоборот, мощность базальтового слоя меньше под хребтом и больше под впадиной.
При указанных выше величинах аномалий, плотностей и мощности коры в 60 км под Долиной Озер /суммарная мощность коры под хр. Гурбан-Богдо составляет 53 км, из них 30 км относится к гранитному слою (в том числе 3 км составляют относительное превышение хр. Гурбан-Богдо над Долиной Озер) и 23 км — к базальтовому слою. Для Долины Озер эти цифры составляют соответственно 10 и 50 км.
Вопрос о причинах столь резкого различия в мощности всей земной коры и отдельных ее слоев на столь малом расстоянии между колонками (примерно 20 км) не может быть решен с помощью материалов, которые имеются в нашем распоряжении, но важно то, что структура земной коры совершенно различна под хребтом и под впадиной.
По-видимому, можно полагать, что различие в структуре коры хребта и впадины со временем не сглаживается, а все увеличивается, так как несмотря на избыток тяжелых масс, хр. Гурбан-Богдо продолжает движение вверх и, наоборот, впадина Долины Озер, несмотря на дефект масс под ней, все еще увеличивается по глубине. Все это свидетельствует о том, что в области Гоби-Алтайского землетрясения земная кора какими-то глубинными процессами выведена из состояния равновесия и обусловленное этими процессами смещение блоков еще не достигло максимальной амплитуды.
Совершенно ясно, что поднятие и опускание блоков коры под воздействием каких-то подкоровых процессов происходят сравнительно медленно и поэтому поднятие отдельных участков хр. Гурбан-Богдо за несколько секунд на несколько метров не связано непосредственно с поднятием подкорового вещества на ту же высоту. Но давление подкорового вещества на кору под хр. Гурбан-Богдо несомненно больше веса этого блока коры, и поэтому хребет хотя и медленно, но все же поднимается. Поскольку этот процесс длительный, то относительная высота хребта, равная 3 км, может быть им и обусловлена.
Если же рассматривать непосредственно само Гоби-Алтайское землетрясение, то роль подкоровых процессов могла, возможно, свестись к тому, что под их воздействием земная кора под хр. Гурбан-Богдо длительно изгибалась. Поскольку в гранитном слое могли существовать большие напряжения за счет разогрева радиоактивными процессами, при известных соотношениях сил расширения и сопротивления коры на изгиб в коре наступила разрядка напряжений.
Большой научный интерес представляет процесс изменения силы тяжести во времени в тектонически активных районах земного шара. Эти изменения силы тяжести при надлежащем учете могут дать весьма интересный материал для суждения о причинах и последствиях часто повторяющихся за последние годы землетрясений.
Вопрос об измерении вариаций силы тяжести во времени, вызванных перестройкой внутренней структуры земной коры, дискуссировался длительное время в печати, но поскольку все ранее поставленные опыты по измерению таких вариаций производились в районах, где тектоническая активность коры была сравнительно невелика, то заметного изменения тяжести во времени не было замечено. На это было трудно и расчитывать, так как даже в областях усиленной тектонической деятельности амплитуды поднятий или опусканий земной коры не превышают нескольких миллиметров и реже 1 см в год, а изменение силы тяжести
204
при таких вертикальных амплитудах смещения коры не превысит 0,003 мгл/год. Применяемые до самого последнего времени приборы не позволяли измерять силу тяжести с ошибкой менее ±0,1 мгл. Следовательно, требовались сотни лет для того, чтобы заметить изменение силы тяжести в том или ином районе во времени. Правда, за последние годы созданы приборы, позволяющие измерить приращение силы тяжести в 0,05 и даже 0,01 мгл, но даже при их применении потребуются десятки лет для фиксации изменений силы тяжести за счет перестройки структуры коры.
Если же обратиться к районам Монголии и Прибайкалья, то здесь имеются совершенно иные условия для проведения подобных работ, так как большинство известных в этих районах землетрясений сопровождалось смещениями блоков земной коры на метры и даже на десятки метров (например, при Гоби-Алтайском землетрясении смещение местами достигало 9 м), а при байкальских землетрясениях 1862 и 1959 гг. — 10— 15 м (Солоненко, Тресков, 1960). При таких амплитудах смещения блоков земной коры по вертикали как полное значение силы тяжести, так и аномалии Фая и Буге могут меняться на несколько миллигал.
Если бы до 1957 г. в районе хр. Гурбан-Богдо и Долины Озер имелись хотя бы редкие гравиметрические пункты, то измерения 1958 г., позволили бы установить характер изменения аномалий силы тяжести за счет изменения структуры коры.
Могло быть три случая:
а) поднятие хребта было обязано только расширению верхней части земной коры, то изменились бы полные значения силы тяжести и анома лия Буге. Изменение аномалии Фая было бы ничтожным;
б) поднятие хребта было обязано притоку подкорового вещества, то изменились бы все три перечисленных параметра, и это изменение было бы пропорционально приращению высоты хребта;
в) в поднятии хребта участвовали подкоровое вещество и расширение вещества самой коры, то изменились бы также все три параметра, но за висимость между ними и амплитудой поднятия имела бы более сложный характер.
Из этих примеров видно, какой богатый материал могли бы дать гравиметрические наблюдения для изучения характера тектонических движений в плейстосейстовых областях, если бы такие наблюдения были произведены до и после землетрясений. В области Гоби-Алтайского землетрясения до 1957 г. гравиметрических измерений не было сделано и приходится сожалеть об этом. Но Гоби-Алтайское землетрясение не первое и не последнее в цепи интенсивных землетрясений XX столетия в Монголии и в Прибайкалье.
Можно утверждать, что эти территории сейчас находятся в фазе высокой сейсмической активности, а в ближайшие годы здесь возможны •сильные землетрясения с разломами и смещениями земной коры. Достаточно указать, что только за последние 10 лет здесь произошло пять землетрясений силой более 9 баллов, и все они сопровождались заметными смещениями коры.
Учитывая сказанное, мы считаем, что в ближайшие годы на указанных территориях необходимо провести в минимальном объеме гравиметрические работы, в первую очередь на участках, высокая сейсмичность которых уже доказана или предполагается высокой. Тогда последующие землетрясения не застанут исследователей неподготовленными к выяснению их причин — повторные наблюдения над старыми пунктами во многом помогут понять эти причины.
* * *
Проведенные в сравнительно небольшом объеме комплексные рекогносцировочные геофизические исследования в плейстосейстовой области
205
Гоби-Алтайского землетрясения позволили заметить некоторые связи между структурой и составом земной коры, с одной стороны, и характером физических полей — с другой.
Кратко результаты исследований сводятся к следующему:
1. По графикам магнитной съемки замечена дифференциация пород области по магнитным свойствам в горизонтальном и вертикальном на правлениях. Наиболее намагниченными являются молодые лавы, затем интрузивные ультраосновные породы. Менее магнитны изверженные по роды кислого ряда и породы метаморфического и осадочного комплекса. Дифференциация в вертикальном направлении связана, по-видимому, с различной глубиной до базальтового слоя земной коры. Эта глубина под хр. Гурбан-Богдо определена по магнитной аномалии в 30 км, а под Долиной Озер — в 10 км.
2. Среди исследованных пород наибольшей радиоактивностью обла дают метаморфические (хлоритовые) сланцы, над обнажениями кото рых гамма-активность достигает 98 мкр/час (при натуральном фоне 10 мкр/час). Далее следуют граниты, представленные главным образом; розовыми порфировидными разностями. Гамма-активность их достигает до 65 мкр/час. Над всеми другими породами заметного изменения натурального фона не замечено.
3. Измерения силы тяжести выполнены на 22 пунктах. Наибольшая амплитуда изменений наблюдена для аномалий Фая, которая в пределах высот от 1237 и до 2106 м достигает 127 мгл. Положительные аномалии Фая наблюдаются над хр. Гурбан-Богдо и над Цагангольской впадиной, отрицательные — над Долиной Озер. Величина аномалий Фая примерно равна поправке за притяжение промежуточного слоя с обратным знаком, что, по-видимому, указывает на избыток тяжелых масс под хребтом и на недостаток их под впадиной Долины Озер.
4. Сопоставление материалов геофизических измерений с данными наблюдений над характером трещин разлома и над смещением блоков земной коры по ним позволяет предполагать, что поднятие хр. Гурбан - Богдо и образование разломов во время землетрясения было, по-видимому, связано с расширением крупного массива гранитов, обладающих повышенной радиоактивностью (в 2—3 раза более высокой, чем средняя радиоактивность гранитов земной коры) и находящихся в стадии разогрева. Средняя температура этого массива, возможно, выше температуры боковых пород примерно на 20°. Поскольку земная кора в плейстосейстовой области выведена из изостатического равновесия, а общая тектоническая позиция района показывает не на уменьшение, а на возрастание изостатических аномалий, то продолжающееся воздымание хр. Гурбан-Богдо в какой-то мере предопределило момент возникновения Гоби-Алтайского землетрясения, нарушив равновесие внешних тангенциальных сил сжатия и внутренних термических сил расширения в гранитном массиве.
Заканчивая описание результатов геофизических исследований в области Гоби-Алтайского землетрясения, следует еще раз обратить внимание на необходимость широкого и более детального изучения этого весьма интересного в геофизическом отношении района. В частности, целесообразно в самое ближайшее время приступить к планомерному гравиметрическому изучению области землетрясения 4 декабря 1957 г. и других сейсмически высокоактивных территорий МНР и Прибайкалья.
