Геология и Геофизика Юга России

2221-3198

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук"

965

10.46698/VNC.2024.45.42.008

Геофизические методы

Выявление перекрытых разрывных нарушений методом электротомографии на примере городской агломерации Усть-Каменогорск (Республика Казахстан)

Маркин

М.Ю.

markin_maxim@inbox.ru

ТОО «ГеоСтройСистема», Республика Казахстан, 050000, г. Алматы, Алатауский район, микрорайон Саялы, дом 41/1

30062024

2107116

2024

Геология и геофизика Юга России

Актуальность темы определяется необходимостью выявления разрывных нарушений, скрытых под толщами осадочных пород, и оценки их строения, что является важнейшей задачей при районировании территорий по сейсмической опасности и одной из основ прогноза землетрясений и сейсмического микрорайонирования. Наблюдаемая в последние годы все более возрастающая активность литосферы связана, в том числе с активизацией тектонических разломов. Выявление подобных разломов, скрытых под мощными толщами осадочных пород, и оценка их текущей активности является актуальной задачей при районировании территорий по сейсмической опасности и основой прогноза землетрясений. Для этого, как показал анализ опубликованной литературы, все чаще применяется метод электротомографии. Цель работы: на основе определения кажущегося электрического сопротивления оценить степень дезинтеграции горных пород в зонах разрывных нарушений, проявленных в границах города Усть-Каменогорск, в пределах геодинамически активной Иртышской зоны смятия. Методы исследования: Проведены полевые исследования разломных зон методом электротомографии. Выполнен дипольный, шлюмберже и прямой (обратный) трехэлектродный тип установки методом сопротивлений. Наблюденное электрическое поле, нормированное по параметрам установки до такой степени, чтобы кажущееся электрическое сопротивление совпадало с истинным удельным электрическим сопротивлением, называемым кажущимся удельным электрическим сопротивлением. Данный метод позволяет получить характеристики сложно построенной среды и проводить интерпретацию в рамках двумерных моделей. Результаты исследования: показано, что использованный метод электротомографии позволяет получить достаточно полное представление о строении разрывного нарушения в условиях отсутствия его выхода на поверхность; установлено, что величина кажущегося электрического сопротивления определяется главным образом типом и степенью тектонической и современной экзогенной разрушенности пород, выполняющих сместитель разлома, и это связано с периодической активизацией изученных разломов и малоамплитудными подвижками по сместителю. Определены основные характеристики простирания разломов, наклона их сместителей, характер горных пород, заполняющих зоны сместителя.

Irtysh crushing zoneUst-Kamenogorsk cityRepublic of Kazakhstanfaultselectrotomographyapparent electrical resistivity (pk)

Иртышская зона смятиягород Усть-КаменогорскРеспублика Казахстанразломыэлектротомографиякажущееся электрическое сопротивление (ρk)

Введение Проявившиеся в последнее время серии разрушительных землетрясений в Тур- ции и Сирии демонстрируют все более возрастающую активность литосферы, свя- занную, в том числе с активизацией тектонических разломов. Выявление подобных разломов, скрытых под мощными толщами осадочных пород, и оценка их текущей активности является актуальной задачей при районировании территорий по сейс- мической опасности и основой прогноза землетрясений [Conti et al., 2021]. Одним из таких потенциально опасных районов проявления землетрясений тектонической природы является город Усть-Каменогорск (Республика Казахстан), расположен- ный в пределах Иртышской зоны смятия (ИЗС) [Маркин, 2023]. Целью данной работы является изучение строения разрывных нарушений мето- дом электротомографии с использованием геологических данных на трех эталон- ных участках, соответствующих трем основным структурным подзонам Иртыш- ской зоны смятия (рис. 1). Материал и методы Объектом исследования являются разрывные нарушения на территории г. Усть- Каменогорск (Республика Казахстан). В современных и в перспективных границах городская агломерация располагается полностью в пределах Иртышской зоны смя- тия (ИЗС) – одной из крупнейших тектонических структур западной части Цен- трально-Азиатского складчатого пояса [Ермолов, Полянский, 2008; Буслов, 2011; Семинский, Зарипов, 2016 и др.]. Иртышская зона смятия представляет собой клас- сический пример региональной сдвиговой зоны и представляет собой глубинный разлом шириной от 1,5 до 20 км, протягивающийся по территории России, Вос- точного Казахстана (г. Рубцовск, г. Усть-Каменогорск) в Китай (г. Фуюн) и далее в Монголию более чем на 1000 км. По особенностям внутреннего строения ИЗС под- разделяется на 3 подзоны: Северо-Восточную, Осевую и Юго-Западную (рис. 1). <img width="491" height="341" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_338.jpg" /> Рис. 1. Схема района работ: 1–3 – Иртышская зона смятия: 1– Юго-Западная подзона; 2 – Осе- вая подзона; 3 – Северо-Восточная подзона; 4 – разрывные нарушения и их номера; 5 – профили электротомографических исследований и их номера; 7 – кадастровая граница г. Усть-Каменогорск, 8 – перспективная граница г. Усть-Каменогорск, 9 – участки исследований и их номера / Fig. 1. Scheme of the work area: 1–3 – Irtysh crumpling zone: 1– Southwestern subzone; 2 – Axial subzone; 3 – Northeastern subzone; 4 – discontinuous faults and their numbers; 5 – profiles of electrotomographic studies and their numbers; 7 – cadastral boundary of Ust-Kamenogorsk, 8 – perspective border of Ust-Kamenogorsk, 9 – research sites and their numbers Основные разломы (Усть-Каменогорский, Защитинский и др.) имеют северо-за- падное простирание. Вдоль Усть-Каменогорского разлома протягивается русло р. Иртыш. Среди разрывных нарушений наиболее широкое распространение имеют продольные относительно ИЗС разломы, которые в комбинации с подчиненными поперечно-диагональными тектоническими разрывами обуславливают линейный или линзовидный складчато-блоковый характер ИЗС. О проявлении современной геодинамической активности разломов свидетель- ствуют многочисленные балки, овраги, береговые уступы рек, фиксирующие из- менения положения базисов эрозии, а также результаты недавних исследований соседних регионов [Шалагинов, Неведрова, 2015; Кузина и др., 2023; Санчаа, Не- ведрова, 2023 и др.]. На это же указывают продольные и поперечные профили рек Иртыша и Ульбы, изобилующие пережимами и сужениями, а также весьма не- равномерная мощность аллювиальных отложений вследствие блокового строения подстилающих горных пород. На негативное влияние геодинамических процессов на геоэкологическое состояние территорий неоднократно обращалось внимание в работах [Sengőr et al., 1993; Маркин и др., 2016; Чотчаев и др., 2020; Заалишвили и др., 2022]. Работы проводились методом электротомографии (ЭТ). Выполнен дипольный, шлюмберже и прямой (обратный) трехэлектродный тип установки методом со- противлений. Наблюденное электрическое поле, нормированное по параметрам установки до такой степени, чтобы кажущееся сопротивление совпадало с ис- тинным удельным сопротивлением, называется кажущимся удельным электри- ческим сопротивлением (ρk). Кажущееся удельное электрическое сопротивление рассчитывается исходя из разности потенциалов между приемными электродами тока в питающей линии и геометрического коэффициента установки. Таким об- разом, кажущееся удельное электрическое сопротивление зависит не только от геометрических параметров аномальных зон и их характеристик удельного элек- трического сопротивления, но и от параметров установки измерения. Метод ЭТ позволяет исследовать сложно построенные среды и проводить интерпретацию в рамках двумерных моделей. Различные варианты использования ЭТ подробно описаны в работах [Griffiths, Barker, 1993; Loke, Barker, 1995; Ritz et al., 1999; Тарасов и др., 2015; Парада, 2018; Бобачев и др., 2006; Бобачев, Шевнин, 2022; и др.]. При этом вынос электрода «бесконечность» производился на расстояние 5 м и более (до 500 м) перпендикулярно линии профиля. Во избежание индук- тивных наводок в приемной линии использовался режим измерений на частоте 1,22–4,88 Гц с уровнем полезного сигнала не менее 5 мВ. Электротомографи- ческие профили выполнены с использованием 48-канальной установки и шагом между электродами 5 м. Максимальная длина расстановки, в зависимости от гео- электрических условий и линейных размеров участков составила 235 м. Глубина исследования от 35 до 60 м. Работы были выполнены многоэлектродной электро- разведочной станцией СКАЛА 48К12. Привязка точек начала и конца профилей ЭТ осуществлялась с помощью спутникового приемника Garmin GPS MAP. Ин- версия данных электротомографии производилась с применением программного обеспечения ZondRes2D. Результаты и обсуждение Согласно рис. 1 участок I расположен в пределах Юго-Западной подзоны ИЗС. На данном участке выполнен профиль электротомографии общей протяженностью 690 метров, пересекающий разлом под № 20. Согласно полевым наблюдениям и анализу космических снимков разлом № 20 является сдвигом, его протяженность составляет 9379 км, азимут падения – 221о, угол падения – 77о. Томографический разрез участка по профилю 1 (ЭТ–1 на рис. 1) представлен двумя геоэлектрическими слоями (рис. 2). Первый слой выделен с поверхности, залегает до глубины 10–15 м и представлен суглинками лессовидными и глинами. Значения кажущегося электрического сопротивления (ρk) слоя составили от 10 до 60 Ом∙м. Второй геоэлектрический слой подстилает первый и прослеживается до глубины 35–45 м. Значения ρk слоя составили 90–200 Ом∙м. Слой представлен дрес- вяно-щебенистым грунтом с суглинистым, супесчаным заполнителем. Геоэлектрический разрез по профилю 2 (ЭТ–2) представлен тремя геоэлектри- ческими слоями (рис. 2). Первый слой выделен с поверхности в левой части про- филя, залегает до глубины 15–20 м, представлен суглинками лессовидными и гли- нами. Значения ρk слоя составили от 10 до 60 Ом∙м. Второй геоэлектрический слой залегает с поверхности по всей длине профиля и подстилает первый слой в левой части профиля. Мощность слоя меняется от 20 до 40 м. Значения ρk слоя составили 90–400 Ом∙м. Слой предположительно представлен дресвяно-щебенистым матери- алом с суглинистым и супесчаным заполнителем. В районе 70 пикета профиля с глубины 15–20 м выделен третий геоэлектрический слой со значением ρk 600–1400 Ом∙м. Слой подстилает дресвяно-щебенистые отложения и представлен выветре- лыми, трещиноватыми гранитами и гранодиоритами. Мощность слоя составила около 30–35 м. Геоэлектрический разрез по профилю 3 (ЭТ–3) представлен тремя геоэлектри- ческими слоями (рис. 2). Первый слой выделен с поверхности, залегает до глубины 7–10 м, предположительно представлен дресвяно-щебенистым материалом с сугли- нистым, супесчаным заполнителем. Значения кажущегося электрического сопро- тивления (ρk) слоя составили от 200 до 600 Ом∙м. Второй геоэлектрический слой подстилает первый слой. Мощность второго слоя меняется от 10 до 40 м, значе- ния ρk составили 600–1400 Ом∙м. Слой представлен выветрелыми, трещиноватыми гранитами и гранодиоритами. Ниже по разрезу выделен третий геоэлектрический слой. В левой части профиля кровля третьего слоя залегает с глубины 20–25 м и погружается к середине профиля до глубины 50–60 м. Значения ρk слоя находятся в диапазоне от 1800 до 3000 Ом∙м. Слой представлен слабо выветрелыми гранитами и гранодиоритами. На электротомографическом разрезе по профилю 2 отмечается довольно кон- трастный переход между породами с ненарушенной структурой и раздробленным материалом, выполняющим сместитель разлома. Мощность такой зоны по горизон- тали составляет 70 метров. Согласно рис. 1 участок II расположен в пределах Осевой подзоны ИЗС. На данном участке выполнено два профиля электротомографии 4 и 5 (ЭТ–4 и ЭТ–5) общей про- тяженностью 460 метров. Профили электротомографии выполнены с перекрытием на конечных электродах, имеют общее направление с северо-востока на юго-запад, вкрест простирания разрывного нарушения № 9. Согласно данным полевых наблю- дений и анализа космоснимков, общая протяженность разлома порядка 8924 км, в кинематическом отношении разлом представлен сдвигом с азимутом простирания – 220 о, азимутом падения – 130 о, углом падения – 75 о. <img width="520" height="543" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_339.jpg" /> Рис. 2. Результаты электротомографических исследований в пределах эталонного участка I: числа в кружках – значение кажущегося электрического сопротивления в Ом∙м; косая штриховка на профиле 2 – зона разрывного нарушения / Fig. 2. The results of electrotomographic studies within the reference area I: the numbers in circles are the value of the apparent electrical resistance in Om∙m; oblique hatching on profile 2 is the zone of discontinuity Геоэлектрический разрез по профилям 4 и 5, согласно рис. 3, представлен двумя геоэлектрическими слоями. Первый слой выделен с поверхности до глубины 5–10 м и простирается по латерали до середины профиля 5 (ЭТ–5); представлен дрес- вяно-щебенистым грунтом с суглинистым, супесчаным заполнителем. Значения ρk слоя составили от 250 до 500 Ом∙м. Второй геоэлектрический слой подстилает пер- вый слой, в центральной и левой части профиля 5 (ЭТ–5); выделен с поверхности. Глубина залегания слоя прослеживается до 60 м. Значения ρk слоя составили 600–1400 Ом∙м. Слой представлен выветрелыми, трещиноватыми гранитами, гра- нодиоритами. <img width="540" height="388" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_340.jpg" /> Рис. 3. Результаты электротомографических исследований в пределах эталонного участка II: пояснения смотрите на рис. 2 / Fig. 3. The results of electrotomographic studies within the reference area II: for explanations, see Fig. 2 В левой части профиля 5 выделены высокоомные области со значениями ρk от 2500 до 3800 Ом∙м, представленные менее трещиноватыми, более прочными грани- тами и гранодиоритами. Протяженность аномальной области высокоомного участ- ка в пределах разрывного нарушения № 9 составляет до 195 м. Участок III расположен в границах северо-восточной подзоны ИЗС (рис. 1). На данном участке выполнен профиль электротомографии ЭТ–15, расположенный вкрест простирания разрывного нарушения №3 (рис. 4). <img width="543" height="200" alt="image" src="Геол.журнал №2_2024_с обл/Image_341.jpg" /> Рис. 4. Результаты электротомографических исследований в пределах эталонного участка III: пояснения смотрите на рис. 2 / Fig. 4. The results of electrotomographic studies within the reference area III: for explanations, see Fig. 2 Согласно данным полевых маршрутов и анализа космоснимков общая протяжен- ность разлома порядка 9348 км, по кинематическому типу разлом отнесен к сдвигу. Азимут простирания разлома – 300°, азимут падения – 210°, угол падения – 72°. Значения ρk по профилю 15 (ЭТ–15) составляют от 130 до 450 Ом∙м. Согласно геологической карте данного района с поверхности сместитель разлома выполнен галечниковыми отложениями с супесчаным заполнителем. Местами по разрезу вы- делены низкоомные области со значением ρk 15–25 и 40–80 Ом∙м. Области с такими значениями ρk предположительно связаны с заполнением сместителя разлома су- глинистым и глинистым материалом. Юго-Западная ветвь разрывного нарушения № 3 в интервале от ПК6 до ПК29 характеризуется низкими значениями ρk, что об- условлено наличием в сместителе разлома суглинистого материала. Для Северо- Восточной его ветви в районе ПК 39 – 45 характерны более высокие значения ρk. Выводы <ol id="l38"> <li style="padding-top: 6pt;padding-left: 36pt;text-indent: 17pt;text-align: justify;"> Малоглубинная электротомография, использованная в пределах г. Усть- Каменогорска, позволила изучить особенности проявления и отражения разрывных нарушений в современных рыхлых отложениях. </li> <li style="padding-left: 36pt;text-indent: 17pt;text-align: justify;"> Изученные разрывные нарушения характеризуются в основном северо-запад- ным простиранием и крутыми углами наклона сместителя. </li> <li style="padding-left: 36pt;text-indent: 17pt;text-align: justify;"> Горные породы в зонах разрывных нарушений раздроблены до состояния щебня, дресвы и глины с включениями новообразованных кварцево-кальцитовых жил и прожилков. </li> <li style="padding-left: 36pt;text-indent: 17pt;text-align: justify;"> Величина кажущегося электрического сопротивления определяется главным образом типом и степенью тектонической и современной экзогенной разрушенно- сти пород, выполняющих сместитель разлома, что связано с периодической акти- визацией изученных разломов и малоамплитудными подвижками по сместителю. </li> <li style="padding-left: 36pt;text-indent: 17pt;text-align: justify;"> Использованный метод электротомографии позволяет получить достаточно полное представление о строении разрывного нарушения в условиях отсутствия его выхода на поверхность. </li> </ol>