Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

HELIUM ISOTOPES AND HEAT FLOW AS A REFLECTION OF MODERN SEISMOTECTONIC ACTIVITY (CENTRAL TUVA BASIN, OZ. DUS-KHOL)

Lebedev V.I. 1 Rychkova K.M. 1 Mongush S-S.S. 1
1 Tuvinian Institute for Exploration of Natural Resources of the Siberian Branch of the RAS
Озеро Дус-Холь находится в Центрально-Тувинской котловине, входящей в межгорный Тувинский прогиб на юго-востоке Алтае-Саянской складчатой области. Изотопное отношение гелия (R) источников оз. Дус-Холь превышает фоновое для пород фундамента и составляет в среднем 69∙10-8. Значения R превышают таковые в термоминеральном источнике Уш-Бельдыр (54∙10-8), расположенном в сейсмогенерирующем Билин-Бусийнгольском грабене. Глубинные продукты в среднем представлены коровым гелием на 88,7 %, гелием мантии на 5,3 %. Высокое содержание изотопного отношения гелия, наличие мантийной составляющей однозначно указывают на проявления скрытого тепломассопотока, т.к. поверхностные проявления кайнозойского вулканизма в Центральной Туве не выделены. Содержания гелий-неонового отношения и водорастворенного гелия значительно превышают соответствующие атмосферные. Это свидетельствует о глубинном характере полученных величин. Измерения после землетрясений показали возросшие величины гелий-неонового отношения и водорастворенного гелия в среднем в 5–6 раз. При этом сейсмотектонические события не повлияли на величину изотопов гелия, что говорит о региональном характере распределения R.
The lake Dus-Khol is located in the Central basin of Tuva, the Tuva part of intermountain trough in the South-Eastern part of the Altai-Sayan region. The ratio of helium isotopes (R) lake source. Dus-Khol exceeds the background for the basement rocks and an average of 69 10-8. The values of R are higher than in thermal mineral springs ush-Beldir (54∙10-8), located in bilin Busiyngolskom seismogenic Graben. Deep the products presented in average crustal helium at 88,7 % mantle helium is 5,3 %. The high level of the isotope ratios of helium, the presence of a mantle component clearly indicate teplomassopotoka hidden behind the surface manifestations of Cenozoic volcanism in Central Tuva is not highlighted. The ratio of the content of helium-neon and helium significantly exceeds atmospheric water. It shows the profound nature of values received. Measurements showed that increased after the earthquake of a magnitude relationship of helium-neon and helium-water average 5–6 times. At the same seismotectonic events does not affect the number of isotopes of helium, which indicates the regional nature of the distribution of R.
Central Tuva Basin
underground fluids
helium isotopes
the total helium
mantle helium
deep faults
heat flow
the stress-strain state of the Earth’s interior

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

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

Цель исследования

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

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

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

Материалы и методы исследования

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

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

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

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

Результаты исследования и их обсуждение

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

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

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

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

leb1.tif

Аномальные вариации водорастворенного гелия

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

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

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

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

Изотопное содержание гелия и его составляющих

№ п/п

Название

источника

Год, тип

флюида

Rизм•10-8

4He/20Ne

Heобщ •10-8 см3/см3

Heобщ 10-4 мольн

Rисп

Heм

%

Heк

%

Heа

%

1

Восточный

2007 водн

65

11,9

160

 

65

5

93

2

2*

Восточный

2010 водн

82,8

10,1

174

 

81

     

3

Восточный

2013 водн

62

25

741

 

61

5

94

1

4

Западный

2013 водн

76

22

617

 

75

6

93

1

5

Западный

2013 газ

71

3,8

 

56 ppm

65

5

88

7

6

Западный

2013 газ

76

2.5

 

41ppm

67

5

84

11

 

Восточный

2014 в

60

54

980

 

60

5

83

12

 

Западный

2014 водн

76

36

778

 

75

6

86

8

Среднее по источникам оз. Дус-Холь

69

5,3

88,7

6

Средний тепловой поток qR равен 70 мВт/м2

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

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

Заключение

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

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

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

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

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

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