Петрофизические свойства пород и кольцевая морфология вероятной импактной структуры Ярва-Варака (Мончегорский рудный район Кольского региона)

DOI:

e-mail: , ORCID:

вИльченко В. Л. и др. Петрофизические свойства пород и кольцевая морфология вероятной импактной структуры Ярва-Варака (Мончегорский рудный район Кольского региона). Вестник МГТУ. 2026. Т. 29, № 1. С. 5–15. DOI:

e-mail: , ORCID:

Ilchenko, V. L. et al. 2026. Petrophysical properties of rocks and ring morphology of the probable impact Yarva-Varaka structure (Monchegorsk ore area of the Kola Region). Vestnik of MSTU, 29(1), pp. 5–15. (In Russ.) DOI:

Метеоритные бомбардировки в ранней истории Земли без сомнения вносили существенный вклад в формирование земной коры ( Масайтис и др., 1980; Melosh, 1989 ). К настоящему времени на Земле достоверно установлено 194 астроблемы (в том числе 21 на территории России) ¹. Только пять из них палеопротерозойского возраста: Вредефорт (2023 ± 4 млн лет ‒ Gibson et al., 1997 ) в Южной Африке; Садбери (1850 ± 3 млн лет ‒ Davis, 2008 ) в Канаде; Яррабубба (2229 ± 5 млн лет ‒ McDonald et al., 2003; Erickson et al., 2020 ) в Австралии; Дхала (2,44–2,24 млрд лет ‒ Li et al., 2018 ) в Индии и Суавъярви (~ 2,4 млрд лет ‒ Mashchak et al., 2012 ) в Карелии. Кроме того, существуют предположения об импактном происхождении ряда кольцевых структур раннего докембрия, например Маниитсок в западной Гренландии ( Garde et al., 2012 ), а также находки импактных сферул в верхнеархейских комплексах Южной Африки и Австралии ( Byerly et al., 2002; Lowe et al., 2014 ).

По статистическим расчетам, учитывающим размеры кратеров и скорость эрозии, на Земле осталось еще не менее 90 неоткрытых кратеров, размером от 1 до 6 км и более 250 кратеров размером до 1 км ( Hergarten et al., 2015 ). К сожалению, все это относится к кратерам не древнее палеозойского возраста. Обнаружение и подтверждение ранних земных импактных структур является серьезной проблемой, поскольку их следы могут быть стерты в результате последующих процессов метаморфизма, тектоники и эрозии ( French et al., 2010; Hergarten et al., 2015; Kenkmann, 2021 ).

Метеоритные кратеры обычно связаны с различными геофизическими аномалиями ( French et al., 2010; Glikson et al., 2013 ), при этом природа аномалий не всегда очевидна. Часть аномалий обусловлена структурными или тектоническими преобразованиями пород, часть связана с постударными гидротермальными процессами ( Pesonen, 2011; Mayr et al., 2008 ). Гравитационные и магнитные аномалии также могут зависеть от петрографического состава пород. Изучение петрофизических свойств пород (плотности, пористости, упругой анизотропии и т. п.) на известных астроблемах дает важную информацию для интерпретации геофизических аномалий в целом ( Mayr et al., 2008 и ссылки там), а также может быть использовано при поиске и исследовании древних метеоритных кратеров ( French et al., 2010 ).

Структура Ярва-Варака расположена на севере Мончегорского рудного района Кольского региона. Под структурой мы понимаем одноименный расслоенный массив и породы обрамления (рис. 1). Массив Ярва-Варака сложен гранофировыми гиперстеновыми диоритами, кварцевыми диоритами и гранофировыми норитами ( Nerovich et al., 2023 ). Вмещающими породами являются гнейсы кольского метаморфического комплекса с многочисленными пластовыми телами гранитоидов (рис. 1). Внедрение интрузии Ярва-Варака происходило синхронно с завершением становления Мончеплутона. Считалось, что состав ее пород, судя по значительному обогащению кремнеземом, может быть обусловлен процессами контаминации основных расплавов вмещающими гнейсами ( Смолькин и др., 2004 ). Однако небольшие размеры массива (1,7×2,2×2 км) вызывали сомнение в его способности расплавить достаточный объем вмещающих пород для образования 20 % гранофира ( Нерович и др., 2015; Nerovich et al., 2023 ). Более того, геолого-геохимическое изучение пород массива показало его сходство с породами магматического комплекса импактной структуры Садбери ( Grieve, 1994; Naldrett, 2004 ), и начиная с 2015 г. для массива Ярва-Варака предполагается импактное происхождение ( Нерович и др., 2015; Nerovich et al., 2023 ). Проведенное термодинамическое моделирование процессов кристаллизации подтвердило, что без участия метеоритного удара, создавшего коровый расплав, в массиве Ярва-Варака могло образоваться только 3 % гранофира, а не наблюдаемые 20 % ( Каулина и др., 2025 ).

За время изучения структуры Ярва-Варака в гранитоидах обрамления были обнаружены следующие признаки ударного метаморфизма: псевдотахилитовая брекчия, полосы смятия в биотите и клиноцоизите, планарные структуры в кварце, диаплектовые стекла циркона, плагиоклаза и силлиманита, микроструктурные деформации в монаците ( Kaulina et al., 2021; Nerovich et al., 2023; Kaulina et al., 2023 ).

Возраст пород массива составляет 2496 ± 9 млрд лет (U-Pb ID-TIMS по циркону и бадделеиту из кварцевых диоритов ‒ Смолькин и др., 2004 ) и 2498 ± 6 млн лет (U-Pb SHRIMP-II по тем же минералам из пижонит-авгитовых диоритов ‒ Kaulina et al., 2021 ). Возраст ударного метаморфизма, определенного по необластам (перекристаллизованным доменам) в деформированных кристаллах монацита составляет 2,55–2,52 млрд лет, что подтверждает наше предположение, что массив Ярва-Варака образовался одновременно c метеоритным ударом ( Kaulina et al., 2023 ). Возраст вмещающих глиноземистых гнейсов – 2,83 млрд лет ( Смолькин и др., 2004 ), субпластовых тел биотитовых гранитов ‒ 2,7 млрд лет ( Kaulina et al., 2023 ).

Согласно ( Объяснительная записка…, 2007 ) массив Ярва-Варака находится внутри кольцевого разлома; выделяются и более мелкие кольцевые структуры, хорошо различимые на аэрофотоснимках (рис. 1).

Данная работа посвящена изучению петрофизических свойств пород структуры Ярва-Варака, отобранных на разном расстоянии от предполагаемого центра кольцевой структуры (рис. 2), поскольку признаки ударного воздействия могут отражаться в пространственных вариациях плотности и упругой анизотропии пород (Pesonen, 2011; Mayr et al., 2008).

Материалы и методы

В процессе полевых работ на структуре Явра-Варака было установлено, что выходы коренных пород, благоприятные для регулярного (прямыми профилями с равным шагом) отбора образцов, встречаются здесь довольно редко. Поэтому образцы отбирались везде, где для этого были условия (рис. 1, 2).

1 – четвертичные отложения; 2–11 – Палеопротерозой: 2 – дайки долеритов; 3 – микроклиновые граниты, неравномерно гнейсовидные и катаклазированные; 4–10 – породы массива Ярва-Варака: 4 – дайки пироксен-плагиоклазовых порфиритов; 5 – гранофировые гранодиориты; 6 – гранофировые кварцевые диориты; 7 – гранофировые гиперстеновые диориты; 8 – гранофировые пижонит-авгитовые диориты; 9 – гранофировые нориты; 10 – диориты зоны контакта; 11 – зона брекчирования гранито-гнейсового состава; 12 – псевдотахилитовая брекчия; 13–19 – Архей: 13 – эпидот-биотитовые, биотит-амфиболовые диорито-гнейсы; 14 – пегматоидные лейкоплагиограниты; 15 – биотитовые граниты субпластовых тел, неравномерно гнейсовидные; 16–19 – архейские образования кольского метаморфического комплекса: 16 – силлиманит-биотитовые, силлиманит-гранат-биотитовые гнейсы с кианитом и ставролитом; 17 – амфибол-магнетитовые кварциты; 18 – биотитовые, гранат-биотитовые с силлиманитом и без, амфибол-биотитовые, эпидот-биотитовые гнейсы, амфиболиты и амфибол-магнетитовые кварциты; 19 – биотитовые гнейсы с подчиненными амфибол-биотитовыми гнейсами с редкими телами амфиболитов; 20 – границы распространения пород; 21 – разрывные нарушения; 22 ‒ кольцевые структуры по аэрофотоснимкам; 23 – точки отбора образцов.

Рис. 1. Геологическая карта-схема участка Ярва-Варака ( Nerovich et al., 2023 с упрощениями) с точками отбора образцов Fig. 1. Geological map-scheme of the Järva-Varaka structure ( Nerovich et al., 2023 with simplifications) with sampling points

Было отобрано 38 образцов из пород массива Ярва-Варака и вмещающих гранитоидов, для которых определены плотность, скорости распространения продольных волн и индекс упругой анизотропии (рис. 1, 2, таблица). Методика петрофизических измерений подробно описана в работе ( Ильченко и др., 2022 ). Петрография пород изучена в шлифах и аншлифах.

Рис. 2. Схема кольцевой структуры Ярва-Варака с точками отбора образцов из разных типов пород на разном расстоянии от предполагаемого центра структуры Fig. 2. The scheme of the Jarva-Varaka ring structure with sampling points for different rock types at different distances from the presumed crater centre

Таблица. Физические свойства образцов пород структуры Ярва-Варака Table. Physical properties of rock samples from the Jarva-Varaka structure

& в о	Горная порода	к ^ П о. К	Скорость продольных волн в трех направлениях (км/с): V 1, V 2, V 3	«Йо Щ У 2 « о * О « ^ О о •—■	§ ^" К
Породы массива и зоны контакта
3	Диорит	2,87	3,84; 4,01; 3,96	3,94	3,13
4	Гранодиорит	2,76	4,00; 3,85; 3,88	3,91	2,87
10/19	Милонит с линзами силлиманит-слюдяных сланцев	2,91	4,47; 4,63; 4,69	4,60	3,50
22	Гибридная порода	2,93	3,58; 3,82; 3,62	3,67	4,96
28/19	Гибридная порода	2,77	4,66; 4,57; 4,65	4,63	1,51
Дайки долеритов, кварцитов, мелкие тела амфиболитов и габброноритов
6	Габбро-долерит мелкозернистый (дайка)	3,09	3,55; 4,07; 3,82	3,81	9,65
7	Долерит средне-мелкозернистый (дайка)	3,11	3,90; 4,22; 3,96	4,03	5,97
5/19	Эпидотовый амфиболит средне-мелкозернистый (дайка)	3,03	4,84; 4,84; 4,64	4,77	3,43

7/19	Эпидотовый/эпидотсодержащий амфиболит мелкозернистый (дайка)	2,98	4,20; 4,05; 4,05	4,10	2,99
14	Габбронорит средне-крупнозернистый	2,94	4,68; 4,36; 4,82	4,62	7,22
15/19	Амфибол-магнетитовый кварцит (дайка)	2,99	4,69; 4,46; 4,88	4,68	6,35
24	Амфиболит, среднезернистый	2,85	3,61; 3,50; 3,50	3,54	2,54
Псевдотахилитовая б		екчия
12	Псевдотахилитовая брекчия	2,87	3,80; 3,56; 3,63	3,66	4,77
28	Псевдотахилитовая брекчия	2,70	3,38; 3,34; 3,51	3,41	3,69
Субпластовые тела гранитоидов
2	Биотитовый гранит (участками гнейсовидный), мелкозернистый	2,77	3,98; 3,75; 4,05	3,93	5,65
5	Микроклиновый гранит	2,65	3,80; 3,88; 3,96	3,88	2,92
6а	Биотитовый гранит (участками гнейсовидный), мелкозернистый	2,77	4,09; 3,79; 3,49	3,79	11,2
6б	Биотитовый аляскит пегматоидный	2,62	3,65; 3,65; 3,40	3,57	5,72
8/19	Лейкократовый гранит	2,67	4,67; 4,79; 4,51	4,66	4,26
11	Лейкоплагиогранит пегматоидный	2,66	4,02; 3,65; 3,53	3,73	9,68
17	Биотитовый гранит (участками гнейсовидный), мелко-среднезернистый	2,73	4,02; 3,88; 4,15	4,02	4,75
23	Биотитовый гранит (участками гнейсовидный), средне-мелкозернистый	2,69	4,18; 4,44; 3,78	4,13	11,4
25	Диорит биотит-амфиболовый (местами гнейсовидный), мелко-среднезернистый	2,83	4,07; 3,87; 4,20	4,05	5,81
26	Гранодиорит мусковит-биотитовый (местами гнейсовидный), с/з	2,78	3,72; 4,24; 4,02	3,93	9,80
Гнейсы
1/19	Биотитовый гнейс мезократовый мелкозернистый	2,70	4,20; 3,88; 3,65	3,91	9,99
8	Биотитовый гнейс мигматизированный, мелкозернистый	2,71	3,66; 3,76; 3,63	3,68	2,62
9	Эпидот-биотитовый гнейс, мелкозернистый	2,72	3,66; 3,51; 3,45	3,54	4,32
10	Биотитовый гнейс мигматизированный, мелкозернистый	2,62	3,28; 3,32; 3,57	3,39	6,56
11/19	Биотитовый гнейс, мелкозернистый	2,68	4,30; 4,68; 4,48	4,49	5,99
12/19	Силлиманит-биотитовый гнейс средне-мелкозернистый	2,69	4,04; 4,47; 3,98	4,16	9,09
13	Биотитовый гнейс, мелкозернистый	2,75	3,90; 3,90; 4,01	3,94	2,28
15	Биотитовый гнейс, средне-мелкозернистый	2,74	4,30; 3,86; 3,71	3,96	11,0
16	Биотитовый гнейс мигматизированный, мелкозернистый	2,70	4,62; 3,78; 3,34	3,91	23,52
18	Биотитовый гнейс, мелко-среднезернистый	2,87	3,91; 4,00; 4,12	4,01	3,72
19	Биотитовый гнейс мигматизированный, мелкозернистый	2,71	4,63; 4,27; 4,00	4,30	10,4
20	Биотитовый гнейс мигматизированный, м-с/з из зоны брекчирования	2,77	4,24; 3,76; 3,70	3,90	10,7
21	Биотитовый гнейс, мелкозернистый	2,68	4,40; 4,29; 4,18	4,29	3,63
27	Гранат-биотитовый гнейс, мелкозернистый	2,66	3,84; 4,06; 3,83	3,91	4,70

Результаты и обсуждение

По кольцевому разлому и двум внутренним кольцам, построенным по аэрофотоснимкам (рис. 1), можно реконструировать кольцевую структуру эллипсовидной формы с максимальным диаметром кольца около 7,8 км (рис. 2 – кольцо 3), центр структуры расположен чуть ниже южного края схемы. Расположение точек отбора проб показывает, что среднее внутреннее кольцо (кольцо 2) представляет собой поднятие и является, вероятно, результатом избирательной эрозии. Для древних кратеров кольцевая топография не всегда совпадает с первозданной морфологией кратера, но тем не менее избирательная эрозия связана именно с концентрическим наклоном пластов пород в результате метеоритного удара (Kenkmann, 2021). Импактные породы, заполняющие кратер, должны были быть удалены эрозией за период существования кратера (Kenkmann, 2021), поэтому и признаки шокового метаморфизма в структуре Ярва-Варака обнаружены, в основном, в минералах (Kaulinа et al., 2021; 2023; Nerovich et al., 2023). Учитывая, что псевдотахилитовая брекчия и микроструктуры деформации в монаците обнаружены на расстоянии 5,5 км от центра кольцевой структуры (рис. 2 – образцы 2, 12, 28), скорее всего, реальный ее диаметр составляет около 10 км (внешнее кольцо на рис. 2).

Результаты измерения физических свойств пород представлены в таблице и на рис. 3.

Рис. 3. Физические свойства пород структуры Ярва-Варака, отобранных на разном расстоянии от предполагаемого центра структуры: а – гнейсы; б – граниты; в , г – породы основного состава Fig. 3. Physical properties of the Jarva-Varaka structure rocks sampled at different distances from the supposed center of the structure: а – gneisses; б – granites; в , г – basic rocks

Основной интерес представляют физические свойства вмещающих гнейсов и гранитоидов, поскольку именно они являлись породами мишени, которые подверглись ударному метаморфизму. Вариации их физических свойств могут в той или иной степени отражать наложенный шоковый метаморфизм, хотя и имевший место 2500 млн лет назад. Изучение физических свойств пород из 17 импактных структур ( Pesonen, 2011 ) показали четкие тенденции изменения плотности пород и скорости упругих волн: 1) плотность увеличивается от зювитов к брекчиям, псевдотахилитам, трещиноватым породам мишени (гнейсам) и далее к нетрещиноватым породам мишени; 2) скорость ультразвуковых волн в основном определяется пористостью пород с отрицательной корреляцией. При этом плотность пород по-разному коррелирует с пористостью, т. е. и со скоростью упругих волн. Существенный вклад вносит структура и текстура пород, трещиноватость, минеральный состав и распределение зерен по размерам ( Mayr et al., 2008 и ссылки там).

Плотность гнейсов варьирует от 2,62 до 2,87 г/см³ (табл.). Наибольшие вариации плотности отмечаются между кольцами 2 и 3 (рис. 3, а ). Здесь же наблюдаются наибольшие вариации в скорости продольных волн и упругой анизотропии. В большинстве случаев отмечается прямая корреляция между плотностью, скоростью продольных волн и анизотропией. За пределами внешнего кольца параметры меняются произвольно. Перед кольцом 2 скорость продольных волн и анизотропия находятся в противофазе и не зависят от плотности пород. Наибольшие значения упругой анизотропии 10,7; 10,4 и 23,5 % получены для образцов 20, 19 и 16, соответственно, представленных мигматизированными разновидностями гнейсов. Мигматизация обычно понижает анизотропию пород в связи с залечиванием трещин ( Ильченко и др., 2022 ). В данном случае мигматизация, которая произошла 2,7 млрд лет назад, т. е. до метеоритного удара, вероятно, сыграла обратную роль, приведя к неоднородности образцов с их дроблением и повышением анизотропии под влиянием ударного метаморфизма.

Плотность гранитоидов варьирует от 2,62 до 2,83 г/см³, наиболее высокую плотность имеют гранодиоритовые разности (табл.). Упругая анизотропия пород ниже, чем у гнейсов, и не выходит за пределы 10 %. Повышения анизотропии встречаются в образцах около колец 2 и 3. Скорость продольных волн практически у всех образцов меняется пропорционально плотности. Упругая анизотропия обратно пропорциональна скорости в пределах всей структуры (рис. 3, б ).

Породы массива, вероятно, образовались вместе с метеоритным ударом, который создал необходимый объем разогретого/расплавленного корового материала. Внедрение основного расплава, ассимилировавшего расплавленные вмещающие гранитоиды (породы мишени) создало гранофировые породы массива Ярва-Варака. Дайки долеритов и мелкие интрузии основных пород образовались позднее этого события. В эту же группу мы отнесли пробы псевдотахилитов как образовавшихся при плавлении пород мишени. Плотность этой группы пород выше, чем у гнейсов и гранитоидов, и составляет 2,76–3,11 г/см³ (табл.). Практически во всех образцах скорость упругих волн коррелирует с плотностью пород и упругой анизотропией (рис 3, в , г ). В целом, кроме двух образцов, анизотропия пород низкая – до 6 %.

По площади структуры плотность гнейсов и гранитоидов меняется произвольно, независимо от нахождения пород в пределах или за пределами колец (рис. 4, а ). Характерного увеличения плотности по мере удаления от центра кратера, как это описано для других импактных структур ( Mayr et al., 2008; Pesonen, 2011 ), где плотность пород мишени возрастает к периферии с менее сильным шоковым метаморфизмом, в нашем случае не наблюдается. Вероятно, это связано как с разнообразием состава гнейсов и гранитоидов, так и с древним возрастом импактной структуры, где следы ударного метаморфизма слабо сохранились.

Рис. 4. Вариации физических свойств пород структуры Ярва-Варака по площади: а – плотность пород; б – индекс упругой анизотропии

Fig. 4. Arial variations in the physical properties of the Jarva-Varaka structure rocks: а – rock density; б – elastic anisotropy index

Величина упругой анизотропии более информативна. В целом в пределах кольцевой структуры (рис. 4, б ) гнейсы и гранитоиды обрамления сильноанизотропны (А = 9–24 %) в отличие от пород массива (<4,5 %), которые не были подвержены ударному метаморфизму. Тем не менее несколько образцов гнейсов слабоанизотропны (8, 9, 18, 21), что может быть связано с их мелкозернистой структурой и большей гомогенностью. За пределами кольца (северный край карты) породы демонстрируют низкую и среднюю степень анизотропии (< 9 % ‒ рис. 4, б ).

В целом же, петрофизические исследования структуры Ярва-Варака осложняются плохой обнаженностью района и неоднородностью гнейсов и гранитоидов, которые подвергались ударному метаморфизму, что затрудняет сравнение свойств пород по площади. Рассмотренные данные по гнейсам и гранитам позволяют сказать, что физические свойства гнейсов в большей степени отражают морфологию структуры Ярва-Варака.

Заключение

Структура Ярва-Варака представляет собой многокольцевую импактную структуру размером около 10 км. Современная кольцевая морфология, вероятнее всего, является результатом избирательной эрозии в результате изменения физических свойств пород при импактном метаморфизме. Современное положение колец не совпадает с первичными границами кратера, но повторяет первичную конфигурацию и является отражением именно метеоритного удара. Сравнение данных по гнейсам и гранитам позволяют сказать, что физические свойства гнейсов в большей степени отражают морфологию структуры Ярва-Варака.

Вариации физических свойств гнейсов и гранитоидов, являющихся породами мишени, могут в той или иной степени отражать наложенный шоковый метаморфизм, хотя и имевший место 2500 млн лет назад. Наибольшие вариации физических свойств гнейсов и гранитоидов отмечаются между 2-м и 3-м кольцами структуры. В большинстве случаев отмечается прямая корреляция между плотностью, скоростью и анизотропией.

Наибольшие значения упругой анизотропии 11–23 % получены для мигматизированных разновидностей гнейсов. Мигматизация обычно понижает анизотропию пород в связи с залечиванием трещин. В данном случае мигматизация, вероятно, привела к неоднородности образцов и повышению анизотропии в результате ударного метаморфизма.

В целом, в пределах кольцевой структуры гнейсы и гранитоиды в большинстве своем демонстрируют высокую степень анизотропии (в отличие от пород массива и базитовых даек, которые не были подвержены ударному метаморфизму). За пределами внешнего кольца породы слабоанизотропны.

Изучение петрофизических свойств астроблемы Ярва-Варака, возраст которой 2,5 млрд лет, дает полезную информацию, которую в дальнейшем можно будет использовать в процессе исследования древних метеоритных кратеров.

Работа выполнена в рамках темы НИР ГИ КНЦ РАН FMEZ-2024-0006 "Геология, геохимия и тектоника докембрийских комплексов Кольского региона как основа металлогенического прогноза северо-запада арктической зоны Российской Федерации".