Индикаторы активных разломов (на примере Гомельской структурной перемычки)

Для геологических условий Беларуси принято под активными разломами (или флексурно-разломными зонами) понимать линейно вытянутые пликативно-дизъюнктивные малоамплитудные нарушения, которые проявляются на неотектонической стадии и выражены в строении фундамента и осадочного чехла комплексом признаков: смещения и флексурные изгибы слоев, повышенная трещиноватость и проницаемость земной коры, геохимические и геофизические аномалии, особенности рельефа и гидрографической сети, сейсмичность, аномалии современных движений земной коры и т.д. [2].

Инструментально установлено, что к зонам активных разломов приурочены интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений земной поверхности. Эти аномальные движения характеризуются высокой амплитудой (50—70 мм/год), коротким периодом (0,1—1,0 года), пространственной локализацией (0,1—1 км), пульсационным и знакопеременным характером (суперинтенсивные деформации земной поверхности). При этом пространственно-временные характеристики суперинтенсивных деформаций идентичны как для сейсмоактивных, так и для асейсмичных регионов, например для Беларуси. Более того, интенсивность деформационного процесса в разломах асейсмичных регионов даже выше, чем в сейсмоактивных [7][11].

Исследования на территории Припятского прогиба (юг Беларуси) показали, что даже в пределах одной разломной зоны пространственное распределение деформаций крайне неоднородно, имеет дискретный характер. Предполагается, что аномальные деформационные процессы в зонах разломов, происходящие в обстановке квазистатических региональных полей напряжений, обусловлены флуктуациями параметров среды внутри самих разломов (т.е. разломная зона — параметрически возбудимая активная среда, нелинейный усилитель деформаций по [7][11]).

Отмечена высокая динамичность систем линеаментов, выделяемых по космическим снимкам. Предполагается, что облик космолинеаментов является генерализованным отражением на земной поверхности как деформаций, так и флюидного режима приповерхностной части земной коры [1]. Линеаменты — это зоны (каналы) повышенной проницаемости, которые служат проводящими путями флюидов. Изменения флюидно-газового режима отражаются в колебаниях состава газов, влажности и температуры почвогрунтов, приземного слоя атмосферы, отчасти растительности. Это, в свою очередь, вызывает изменения спектральных характеристик земной поверхности и атмосферы. Интегральный эффект указанных изменений приводит к изменению текстур космического изображения, которые могут распознаваться методами автоматизированной обработки. Таким образом, физическая природа космолинеаментов основана на флюидно-газовом режиме в ослабленных и высокопроницаемых зонах земной коры [1].

Поскольку параметрические изменения в зоне активного разлома обусловлены динамикой флюидно-газового режима, то ведущую роль будут играть индикаторы, отражающие процессы флюидопереноса и влияющие на спектральные свойства земной поверхности или атмосферы, то есть газы. Такие индикаторы могут быть получены на основе современных систем дистанционного зондирования Земли.

Актуальность изучения активных разломов обусловлена их геоэкологической опасностью, проявляемой в возможном влиянии на технические системы, на развитие инженерно-геологических процессов, на устойчивость геологической среды к техногенным воздействиям [8]. Важность исследования современной геодинамической активности Гомельской структурной перемычки определяется тем, что на ее территории располагается второй по величине город Беларуси и крупный промышленный центр — Гомель.

Цель исследований — диагностика современной геодинамической активности разломных зон на основе комплекса индикаторов (на примере разломов Гомельской структурной перемычки). Решаемые задачи: изучение пространственной структуры морфолитогенной основы ландшафтов, гидрографической сети и болот в связи с разломной тектоникой; анализ влияния разломных зон на особенности залегания кайнозойских отложений; выявление активных разломов по газогеохимическим индикаторам (водород в подпочвенном газе, метан в тропосфере).

Район и методика исследований

Гомельская структурная перемычка — это тектоническая структура, соединяющая Воронежскую антеклизу с Припятским прогибом и Брагинско-Лоевской седловиной и расположенная на юго-востоке Беларуси (рис. 1).

Юго-западной границей Гомельской структурной перемычки является Северо-Припятский суперрегиональный разлом (мантийного заложения), северо-западной границей — Малиновско-Глазовский региональный разлом, восточной границей — Гомельский субрегиональный разлом, южной границей — Верхнеднепровский региональный разлом [3]. В средней части перемычку пересекает Тетеревский суперрегиональный разлом. Частично по границе, частично в пределах перемычки проходит Первомайский суперрегиональный разлом (рис. 2).

По данным сейсмических исследований, гравиразведки и бурения скважин в пределах перемычки по поверхности кристаллического фундамента выделены три структурные зоны: западная мелкоблоковая, южная среднеблоковая и восточная крупноблоковая — Ченковский блок [3]. В западной структурной зоне поверхность фундамента находится на глубине от -0,9 до 1,4 км. Фундамент здесь разбит локальными разрывными нарушениями на мелкие блоки (Урицкий, Рандовский, Западно-Гомельский, Сосновский, Приборский и другие). Южная структурная зона включает Бобовичский и Терешковичский блоки. Поверхность фундамента моноклинально погружается с северо-востока на юго-запад от -1,0 до -1,5 км. Восточная структурная зона (Ченковский блок) ограничена Западно-Ченковским и Гомельским разломами. В северной части поверхность фундамента находится на глубинах от -0,7 до 1,2 км; в южной части — от -0,7 до -1,0 км [3].

Исследования современной активности разломных зон проводились ландшафтно-индикационным и газогеохимическими методами.

Ландшафтно-индикационный метод использует характеристики ландшафтов как индикаторы строения и геодинамической активности разломов земной коры [4]. Для выявления ландшафтных индикаторов использовались цифровая модель рельефа SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), топографическая карта (1975—1980 гг., масштаба 1:100 000), военно-топографическая карта Российской империи (1846—1863 гг., масштаб 3 версты в 1 дюйме), карта четвертичных отложений (масштаб 1:200 000), снимки спутника Landsat 8.

Геологическое строение Гомельской структурной перемычки было уточнено на основе анализа 30 буровых скважин.

Изучение тропосферного метана проводилось с помощью космической съемки спутника Sentinel-5P с сенсором TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument). Сенсор TROPOMI определяет атмосферные концентрации (общее содержание в вертикальном столбе тропосферы) метана. Измерения ведутся ежедневно с октября 2017 г. Пространственное разрешение 7×5,5 км. Величина случайной ошибки определения метана составляет не более 1%. Архивированный продукт съемки TROPOMI содержит значения концентрации сухого метана в толще атмосферы в миллиардных долях от объема (ppb). Регулярная составляющая потока метана определялась с помощью осреднения измерений на заданном временном отрезке. Определены концентрации метана на временных срезах: лето 2021 г.; зима 2022 г.; лето 2022 г.; осень 2022 г.; зима 2023 г.

Для обработки данных Sentinel-5P TROPOMI, Landsat 8, оцифровки топографических карт, карты четвертичных отложений, создания цифровой модели мощностей четвертичных отложений, построения картосхем использовалась геоинформационная система QGIS.

Результаты и их обсуждение

Границы Гомельской перемычки частично отражаются в морфолитогенной основе ландшафтов. Так, на северо-восточной окраине перемычки (населенный пункт Костюковка) отметки земной поверхности снижаются со 140—145 до 130—135 м; на границе с Припятским прогибом (западная окраина) — со 130—135 до 120—130 м; на границе с Гремячским выступом Воронежской антеклизы — со 140—150 до 130—140 м. Границы Гомельской перемычки также индицируются гидрографической сетью: граница с Северо-Припятским плечом — малая река Беличанка; граница с Припятским прогибом — река Уза; граница с Брагинско-Лоевской седловиной — река Сож.

Ландшафтный анализ территории показал, что переходный характер Гомельской перемычки отражается в смене ландшафтов. Северо-восточная окраина — переход от моренно-зандрового ландшафта (Воронежская антеклиза) к водно-ледниковому (перемычка); юго-восточная окраина — переход от водно-ледникового ландшафта (Воронежская антеклиза) к аллювиальному террасированному (перемычка). Ландшафтная структура Гомельской перемычки имеет вид: водно-ледниковый ландшафт — 28,5%; моренно-зандровый ландшафт — 4,2%; аллювиальный террасированный ландшафт — 50,0%; пойменный ландшафт — 17,3%. В сопредельной части Воронежской антеклизы доминирует водно-ледниковый ландшафт (более 60% территории), а в сопредельной части Припятского прогиба — аллювиальный террасированный и озерно-аллювиальный ландшафты (более 80%).

Современная речная сеть и болота в значительной степени трансформированы деятельностью человека. На изучаемой территории все малые реки канализированы, а болотные массивы осушены при проведении осушительной мелиорации. Техногенные преобразования являются помехой для использования речной сети и болот как индикаторов активности разломных зон. Нами предлагается использовать речную сеть и болота в их домелиративном состоянии — на основе карт XIX века. Наиболее пригодным картографическим материалом является военно-топографическая карта Российской империи (1846—1863 гг., 3 версты в 1 дюйме). Домелиоративная ситуация, полученная на основе данной карты, показана на рисунке 3. Видно, что массивы болот приурочены к северному углу Гомельской перемычки, отделяя ее от Буда-Кошелевской ступени Северо-Припятского плеча. Болота протягиваются вдоль Северо-Припятского суперрегионального разлома в пределах Припятского грабена. Однако взаимосвязь речной сети с разломами на изученной территории имеет неоднозначный характер.

Изучение литогенной основы ландшафтов — четвертичных отложений показало, что их мощность колеблется от 3 до 84 м, в среднем составляя 23,4 ± 2,4 м. Цифровая модель мощностей четвертичных отложений, построенная по данным буровых скважин, демонстрирует два аномальных участка (рис. 4). На участке Западно-Ченковского разлома мощность четвертичных отложений резко увеличивается за счет пород межледникового муравинского горизонта (мощность — 28 м) и толщи нерасчлененных отложений, образовавшихся между днепровским этапом припятского оледенения и березинским оледенением (мощность — более 41 м). При этом мощность днепровской морены снижается (до 10 м). Вероятно, здесь находится эрозионный врез, где в муравинское межледниковье накопилась толща озерно-аллювиальных и болотных осадков. В современное время (до осушительной мелиорации) здесь также существовал болотный массив («Кобылянское болото»). Образование эрозионного вреза может быть связано с неотектонической активностью Гомельского и Западно-Ченковского разломов на северном участке Гомельской перемычки.

Второй участок с аномально большой мощностью четвертичных отложений примыкает к Гомельской перемычке со стороны северной ступени Припятского грабена. Скважина, расположенная в районе деревни Старые Дятловичи, вскрыла четвертичный чехол, имеющий мощность 143,2 м. С поверхности залегают аллювиальные отложения поозерского горизонта (25,3 м), под которыми находится нерасчлененная толща, образовавшаяся между днепровским этапом припятского оледенения и березинским оледенением (мощность — 117,9 м). Под четвертичными отложениями сразу залегают породы юрской системы.

Кроме того, в ложбинах, тяготеющих к ряду разломов, имеет место размыв палеогеновых отложений (рис. 1), которые на территории Гомельской структурной перемычки и сопредельных тектонических структур залегают почти повсеместно под четвертичным чехлом. Морские палеогеновые отложения характеризуются средней мощностью от 22,7 м в пределах Воронежской антеклиза до 40,0 м в пределах Гомельской структурной перемычки.

Можно предположить, что участки с аномальной мощностью четвертичного чехла и размытым палеогеном представляют собой ледниковые ложбины, контролируемые зонами разломов. Известно, что активизация разломных зон под действием ледниковой нагрузки способствовала образованию трещин в теле ледника и оказывала влияние на расположение водно-ледниковых форм. В результате по простиранию разломных зон могли образовываться линейные системы ледниковых ложбин и озер [9]. Особенностями разреза здесь являются (кроме аномальной мощности): доминирование песчаного состава и отсутствие (или небольшая мощность) днепровской морены (т.е. факторы, способствующие снижению защищенности подземных вод).