MODEL GEOFIZIC AL CRUSTEI TERESTRE CORESPUNZATOR TERITORIULUI ROMANIEI

Raport de Cercetare

Grant: COD CNCSIS 640/2004

Autor: Dumitru Ioane

Universitatea: Universitatea din Bucuresti

MODEL GEOFIZIC AL CRUSTEI TERESTRE CORESPUNZATOR TERITORIULUI ROMANIEI

Introducere

Tematica proiectului se incadreaza in preocuparea existenta pe plan mondial de cunoastere a structurii interiorului Pamantului si de intelegere a modului in care interactioneaza partile sale componente (crusta, manta si nucleu). Formularea teoriei tectonicii globale si dezvoltarea, pe langa metodele geofizice traditionale, a unor noi tehnici geofizice si geodezice de investigare, ofera posibilitati deosebite in aceasta directie.

Studii geofizice anterioare, realizate la scara intregului teritoriu, au oferit informatii importante asupra structurii de adancime a teritoriului Romaniei:

- colectivul condus de Mircea Socolescu (Socolescu et al., 1954, 1958, 1964), utilizand date gravimetrice, a oferit primele date referitoare la structura crustei in Romania. Cu toate ca masuratorile gravimetrice nu acoperisera in acea perioada zonele cu relief inalt, corespunzatoare unitatilor geologice apartinand de Orogenul Carpatic, iar conceptiile geologice, tectonice si geodinamice erau substantial diferite de cele actuale, informatiile privind structurile geologice profunde au avut caracter de noutate, oferind date inedite cercetatorilor din domeniul geologiei si fundamentand prime modele geologice ce luau in co 21221o144v nsiderare intreaga crusta terestra din Romania;

- o metoda geofizica ce a realizat in scurt timp o acoperire omogena cu masuratori terestre pe intreg teritoriul este cea magnetica, in varianta componentei verticale a campului magnetic. Harta publicata (Airinei et al., 1983) a reprezintat si continua sa reprezinte un material geofizic deosebit de util pentru studierea la scara intregului teritoriu a neomogenitatilor petrografice caracterizate prin proprietati magnetice intense, de tipul rocilor magmatice intermediare si bazice, sau al celor metamorfice provenite din acestea;

- datele obtinute pe profilele internationale de seismica de refractie (Radulescu, 1988), au reprezentat si reprezinta inca repere de baza in realizarea de modele crustale de catre cercetatori geofizicieni si geologi. Totusi, spatierea larga a profilelor seismice existente si neacoperirea unor intregi regiuni cu astfel de masuratori geofizice, conditioneaza o incompleta cunoastere a structurii crustale a teritoriului. In plus, investigatii seismice de refractie recente pe directia profilelor Vrancea'99 si Vrancea 2001 (Hauser et al., 2001; 2004) au semnalat unele inadvertente in modelele crustale construite anterior pe baza datelor seismice;

- integrarea informatiilor structurale obtinute prin masuratori seismice de refractie si de reflexie, cu a celor obtinute prin lucrari de foraj structural, au condus la elaborarea unei harti deosebit de utile la limita dintre fundamentul cristalin si cuvertura sedimentara (Polonic, 1998);

- de mare utilitate s-au dovedit datele privind structura crustei din Romania oferite de sondajele magnetotelurice (Stanica si Stanica, 1993; 1999), mai ales in regiuni in care nu au fost executate profile seismice de adancime.

- definitivarea hartii gravimetrice nationale a Romaniei (Nicolescu, Rosca, 1992) a reprezentat un salt calitativ important in ceea ce priveste acoperirea omogena cu masuratori gravimetrice a teritoriului si a stimulat reluarea studiilor gravimetrice asupra structurii profunde in Romania. Determinarea ulterioara a unui set de valori medii de gravitate Bouguer intr-o retea de 5' x 7,5' (Ioane, 1993) a dat posibilitatea practica a de realizare a unor studii complexe, care au exploatat aceasta informatie gravimetrica de calitate. A fost astfel realuata problema izostaziei in Romania (Rosca si Atanasiu, 1998), a fost determinata o solutie gravimetrica de geoid (Ioane et al., 1996) si au fost abordate interpretari geofizice ale anomaliilor geoidale (Ioane et al., 1993; Ioane si Atanasiu, 1998). Au fost determinate anomalii gravimetrice de tip Free-Air si au fost realizate prelucrari ale anomaliilor gravimetrice Bouguer la scara teritoriului Romaniei (Ioane si Atanasiu, 2000).

Caracterizarea discontinuitatilor geofizice la scara teritoriului Romaniei

Construirea unui model geofizic pentru crusta terestra la scara teritoriului Romaniei presupune o buna cunoastere a principalelor discontinuitati fizice care il delimiteaza (suprafata topografica si suprafata Mohorovicic), cat si a unor discontinuitati fizice importante din interiorul acestuia.

Evident, cel mai bine poate fi cunoscuta suprafata ce delimiteaza la partea superioara modelul geofizic crustal din Romania, relieful topografic, suprafata ce separa medii cu caracteristici fizice net diferite (roci, formatiuni geologice si soluri - atmosfera).

Mult mai dificil de cunoscut este evolutia in adancime a discontinuitatii fizice de la baza crustei terestre, limita Mohorovicic, aceasta fiind situata de obicei in domeniul continental la adancimi cuprinse intre 30 si 40 km. Metodele geofizice utilizate pentru evidentierea acestei limite ce conditioneaza modificari petrografice semnificative si implicit, variatii importante ale unor parametri fizici, sunt gravimetria, seismometria de refractie si sondajele magnetotelurice. Pentru obiectivele acestui studiu cele mai importante informatii asupra morfologiei acestei suprafete au fost extrase din studiile gravimetrice si seismometrice:

a) parametrii fizici care le fundamenteaza, densitatea si viteza de propagare a undelor elastice, prezinta variatii asemanatoare in roci si formatiuni geologice;

b) informatiile obtinute din analiza acestor informatii geofizice sunt complementare, datele gravimetrice acoperind in mod omogen suprafetele investigate, fara a oferi un control riguros al adancimii la limitele de contrast de densitate, in timp ce datele seismometrice sunt obtinute pe profile larg distantate, dar cu un bun control al adancimii la limitele de contrast de viteze.

Pentru teritoriul Romaniei, rezultatele geofizice care descriu cel mai bine discontinuitatea fizica de la baza crustei terestre sunt reprezentate de harta reliefului limitei Mohorovicic construita pe baza datelor gravimetrice (Socolescu et al., 1964) si cele obtinute prin integrarea informatiilor de pe profilele de sondaje seismice de adancime (Radulescu, 1988). O reprezentare grafica a evolutiei in adancime a discontinuitatii Mohorovicic, care constituie o integrare a informatiilor obtinute prin interpretari gravimetrice si seismice, este prezentata in figura 1. Domeniul in care se situeaza baza crustei terestre pe teritoriul Romaniei este cuprins intre 27 si 53 km, adancimile maxime fiind evidentiate in zona de curbura a Carpatilor Orientali, iar cele minime la extremitatea de nord-vest a tarii, pe limita estica a Depresiunii Pannonice. Conform acestor date reprezentate la scara intregului teritoriu, zonele caracterizate printr-o crusta terestra groasa (40-50 km) sunt situate in lungul arcului carpatic, in sectorul corespunzator Orogenului Nord Dobrogean si Platformei Moldovenesti, iar zonele caracterizate printr-o crusta terestra subtire (27-35 km) sunt localizate in Depresiunea Pannonica, in Depresiunea Transilvaniei si in sectorul central al Platformei Moesice (sectorul Dunarii).

Date seismice recente obtinute pe profilul de refractie Vrancea'99 (Hauser et al., 2001) arata o variatie rapida de grosime a crustei in Platforma Moesica, de la cca 30 km la sud de Bucuresti, la 40 km in zona Ploiesti. In plus, studii realizate asupra raportului dintre vitezele undelor longitudinale si transversale, au indicat variatii laterale importante din punctul de vedere al acestui parametru fizic, cu interpretari referitoare la modificari ale faciesul formatiunilor geologice din adancime (Raileanu, 2003). O problema deosebita pentru corectitudinea imaginii de adancime a limitei Mohorovicic dedusa pe baza informatiilor seismice este reprezentata de datele recente furnizate de profilul seismic de refractie Vrancea 2001 (Hauser et al., 2004), care nu semnaleaza grosimi deosebit de mari ale crustei terestre in sectorul situat la nord de Falia Peceneaga-Camena (cca 41 km in loc de cca 48 km) si in cel localizat in zona de curbura a Carpatilor Orientali (cca 42 km in loc de 52-53 km), in comparatie cu studiile anterioare (Radulescu, 1988).

In ceea ce priveste investigarea bazei crustei terestre cu ajutorul sondajelor magnetotelurice, aceasta se bazeaza pe importante contraste de conductivitate electrica, existente intre o crusta in general foarte rezistiva si o zona de la baza sa, foarte conductiva. Interpretarea masuratorilor magnetotelurice executate pe profile dispuse radial pe teritoriul Romaniei (Stanica si Stanica, 1999) a evidentiat un domeniu de adancimi la aceasta discontinuitate cuprins intre 25 si 55 km, dispunerea acestora urmarind in general situatia descrisa de datele gravimetrice si seismice. O deosebire importanta este semnalata in zona Muntilor Apuseni, unde sondajele magnetotelurice indica o crusta terestra foarte subtire, cu grosimi inferioare valorii de 24 km.

O discontinuitate crustala importanta, denumita in trecut limita Conrad, separa din punct de vedere al parametrilor fizici (densitate, viteza de propagare a undelor elastice) crusta superioara (stratul "granitic") de crusta inferioara (stratul "bazaltic"). Pe teritoriul Romaniei aceasta discontinuitate a putut fi evidentiata in sectiuni seismice de refractie (Radulescu, 1988), o imagine simplificata a morfologiei sale din adancime fiind prezentata in figura 2. Domeniul in care sunt cuprinse adancimile la aceasta limita este de 10 - 29 km, zonele de ridicare maxima fiind localizate in Depresiunea Transilvaniei si pe extremitatea estica a Depresiunii Pannonice, iar zonele de maxima afundare fiind situate in zona de curbura a Carpatilor Orientali, in zona Orogenului Nord Dobrogean si pe continuarea sa nord-vestica. Se poate remarca faptul ca zona sa de maxima afundare de la curbura Carpatilor este decalata spre sud-est in raport cu zona de maxima ingrosare a crustei, aspect ce se observa in harta discontinuitatii Mohorovicic (Fig. 1).

O alta discontinuitate fizica importanta din interiorul crustei terestre, situata intre suprafata topografica si adancimi intr-un domeniu ce poate depasi 20 km, este limita fundament cristalin - cuvertura sedimentara. Metodele geofizice cu care este investigata in mod traditional aceasta discontinuitate sunt gravimetria, seismometria, metoda curentilor telurici si sondajele magnetotelurice. Pentru teritoriul Romaniei, un prim model geofizic al reliefului fundamentului cristalin ingropat a fost realizat prin interpretarea datelor gravimetrice si magnetice (Gavat et al., 1963), fiind evidentiate sectoare in care limita superioara a fundamentului cristalin se situeaza la diferite niveluri de adancime, precum si sistemele majore de fracturi care controleaza dispunerea sa spatiala.

Evolutia in adancime a acestei limite, evidentiata preponderent pe baza interpretarii datelor seismice, are aspectul unei harti structurale cu control al adancimii la fundamentul cristalin in zonele in care acesta este acoperit de formatiuni sedimentare sau magmatice (Polonic, 1998). O imagine simplificata a acestui model geofizic este prezentata in figura 3. Sunt evidentiate adancimi cuprinse intre nivelul suprafetei topografice (zone de aflorare a formatiunilor metamorfice din Carpatii Orientali si Meridionali, din Muntii Apuseni si din Dobrogea Centrala) si 18-19 km (Depresiunea Focsani). Adancimi de peste 10 km pentru limita superioara a fundamentului cristalin au mai fost semnalate in sectoare situate pe terminatia sudica a Carpatilor Orientali si in continuare spre vest, pe rama sudica a Carpatilor Meridionali, precum si in Platforma Moesica.

Studiul limitei fundament cristalin - cuvertura sedimentara cu ajutorul sondajelor magnetotelurice a fost realizat pe traseul profilelor cu care a fost studiata si discontinuitatea Mohorovicic, harta rezultata (Stanica si Stanica, 1999) evidentiind adancimi superioare valorii de 16 km la exteriorul zonei de curbura a Carpatilor Orientali, si adancimi de cca 10 km pe extinderile spre vest si spre nord, pe traseul avanfosei Orogenului Carpatic. Un element deosebit il constituie zona situata imediat la nord de Muntii Apuseni, cu adancimi de cca 20 km, in dezacord evident cu datele furnizate de masuratorile seismice de refractie.

Avand in vedere contrastul de densitate semnificativ dintre formatiunile sedimentare preneogene si cele neogene si cuaternare, a fost luata in considerare o discontinuitate fizica si pe limita Neogen - pre-Neogen. Harta structurala construita la aceasta limita geologica si de contrast petrofizic a fost construita cu ajutorul hartilor tectonice pentru teritoriul Romaniei (Dumitrescu et al., 1962; Sandulescu et al., 1970). Sunt evidentiate ingrosari importante ale formatiunilor neogene si cuaternare la exteriorul Carpatilor, adancimi la aceasta limita ce depasesc 9 km constatandu-se in Depresiunea Focsani. Alte zone cu dezvoltare importanta a acestor formatiuni sunt localizate in Bazinul Transilvaniei si in Bazinul Panonnic.

In ceea ce priveste evidentierea unor variatii importante, sau discontinuitati fizice laterale din interiorul crustei terestre, acestea pot fi localizate in bune conditii cu ajutorul datelor gravimetrice si magnetometrice, ce asigura acoperirea intregului teritoriu. Prime rezultate in acest sens au fost oferite cu ocazia publicarii primului model geofizic al fundamentului cristalin pe teritoriul Romaniei (Gavat et al., 1963), anomaliile de componenta verticala a campului magnetic fiind interpretate in scopul unei compartimentari a teritoriului din punct de vedere petrografic si ca o consecinta imediata, din punct de vedere tectonic. Astfel de posibilitati de exploatare a datelor magnetice au fost relativ recent luate in considerare (Ioane si Atanasiu, 1999), harta gradientului orizontal total al anomaliei componentei verticale a campului magnetic ilustrand directii pe care se dezvolta discontinuitati fizice importante, ce au suport petrografic si implicatii tectonice evidente. S-a putut observa ca in jumatatea sudica a teritoriului directia preferentiala a aliniamentelor anomale de gradient orizontal este NW-SE, conforma cu sistemul major de fracturi ce afecteaza crusta incepand cu suprafata fundamentului cristalin, incluzand Falia Intramoesica si Falia Peceneaga-Camena. La interiorul arcului carpatic, aliniamentele anomale sunt directionate preponderent E-W, ilustrand aici o compartimentare a teritoriului ce pare sa fie controlata de sisteme de fracturi paralele cu faliile ce delimiteaza la nord si la sud Depresiunea Transilvaniei.

In ceea ce priveste datele gravimetrice, variatiile anomale reprezentate in hartile Bouguer sunt determinate de prezenta unor contraste laterale de densitate, de multe ori acestea constituind nu numai discontinuitati fizice, dar si geologice, de tipul unor contacte intre corpuri geologice cu densitate diferita sau a unor falii majore, ce deplaseaza pe verticala formatiuni geologice ce contrasteaza in ceea ce priveste densitatea.

Harta anomaliilor gravimetrice Bouguer reziduale (Ioane si Atanasiu, 2000), calculata pe baza setului de valori gravimetrice medii in retea 5' x 7,5' (Ioane, 1993), prezinta numeroase anomalii de maxim si de minim, efecte ale unor discontinuitati laterale de densitate. Avand in vedere scara hartii si parametrii dispozitivului de calcul utilizati, se poate aprecia ca in mare parte aceste discontinuitati de densitate sunt situate la limita fundament cristalin/cuvertura sedimentara. Pot fi recunoscute efecte gravimetrice de maxim ale unor importante structuri ingropate ale fundamentului cristalin, cum ar fi ridicarea Strehaia-Bals-Optasi sau Promontoriul Nord Dobrogean. In anumite situatii, o astfel de harta semnaleaza si prezenta unor discontinuitati laterale de densitate din interiorul fundamentului cristalin, anomalia de minim gravimetric din zona Platformei Moldovenesti, determinata de prezenta unor gnaise granitice mai putin dense decat rocile metamorfice inconjuratoare, fiind un bun exemplu in acest sens.

Harta anomaliilor gravimetrice de gradient orizontal total al hartii Bouguer (Ioane si Atanasiu, 2000), calculata de asemenea pe baza setului de valori gravimetrice medii in retea 5' x 7,5' (Ioane, 1993), evidentiaza pe traseul unor anomalii de maxim, sisteme majore de falii ce conditioneaza, prin deplasarile verticale determinate, contraste importante de densitate.

Realizarea unui model geofizic al crustei terestre corespunzator teritoriului Romaniei

Realizarea unui model geofizic pentru crusta terestra corespunzator teritoriului Romaniei a constituit un obiectiv major pentru geofizicieni romani implicati in studii asupra structurii profunde. Ca etape importante in aceasta directie de cercetare mentionam harta morfologiei discontinuitatii Mohorovicic, calculata pe baza datelor gravimetrice (Socolescu et al., 1964), hartile structurale realizate pe baza datelor seismice de refractie si a anomaliilor gravimetrice izostatice (Radulescu, 1988) si hartile structurale construite prin interpretarea sondajelor magnetotelurice (Stanica si Stanica, 1999).

O etapa ulterioara, cu dezvoltari recente ale cunostintelor asupra structurii geofizice de adancime a teritoriului, este constituita de profilele seismice de refractie cu caracter regional, Vrancea'99 (Zimnicea-Bacau) si Vrancea 2001 (Tulcea-Covasna). Aceste profile, ce se intersecteaza in zona de curbura a Carpatilor Orientali, au avut ca principal obiectiv aria seismogena Vrancea. Datele seismice de pe profilul Vrancea 2001 (Hauser et al., 2004) ridica probleme deosebite in ceea ce priveste prezenta in adancime a unor elemente tectonice crustale deosebit de importante, stabilite prin studiile seismice de refractie anterioare. Cea mai complicata problema, cu implicatii deosebite pentru realizarea modelelor tectonice si geodinamice, o constituie neconfirmarea existentei unei "radacini muntoase" la adancimi crustale sub zona de curbura a Carpatilor Orientali, cu ingrosari ale crustei care sa depaseasca 50 km.

Analiza materialelor geofizice ce constituie baza de date a acestui studiu (gravimetrice, geoid gravimetric, magnetometrice, aeromagnetometrice, seismice de refractie, magnetotelurice) a condus la considerarea hartii gravimetrice Bouguer drept cea mai consistenta sursa de informatii asupra structurii crustei de pe teritoriul Romaniei. Aceasta decizie este sustinuta atat de definitivarea hartii gravimetrice Bouguer nationale (Nicolescu, Rosca, 1992), ce ofera o acoperire omogena pentru intreaga suprafata a tarii, cat si de determinarea setului de valori medii de gravitate in retea 5' x 7,5' (Ioane, 1993), deosebit de util pentru studii referitoare la structura profunda si care se preteaza la prelucrari si modelari cu ajutorul tehnicii automate de calcul.

Un motiv suplimentar pentru care s-a decis realizarea unei modelari gravimetrice la nivelul intregii cruste din Romania il constituie programul de calcul automat 3D performant, realizat de un membru al colectivului de cercetare (Ivan, 1996).

Pentru construirea modelului structural necesar unei modelari geofizice 3D pentru crusta terestra de pe teritoriul Romaniei, au fost luate in considerare principalele discontinuitati geofizice ce separa compartimente contrastante din punct de vedere al densitatii si al vitezelor de propagare a undelor elastice, parametri petrofizici aflati intr-o stransa corelatie in roci si formatiuni geologice. Au fost utilizate informatii provenite din studii geofizice, petrofizice si geologice anterioare, precum si din cercetari intreprinse de membrii ai echipei de cercetare.

Ca elemente structurale majore ale modelului crustal, caracterizate prin valori medii de densitate, au fost luate in considerare urmatoarele limite structurale si compartimente:

A.      Harta topografica construita cu valori medii de elevatie in retea 5' x 7,5' (Fig. 1).

B.       Harta structurala construita la baza formatiunilor neogene (Fig. 2). Primul compartiment este delimitat la partea superioara de suprafata topografica si este constituit din depozite sedimentare neogene si cuaternare.

C.       Harta structurala realizata la limita superioara a fundamentului cristalin (Fig. 3). Al doilea compartiment cuprinde cuvertura sedimentara mai veche decat Neogenul.

D.      Harta structurala realizata la limita crusta superioara - crusta inferioara (discontinuitatea Conrad) (Fig. 4). Al treilea compartiment este constituit din crusta superioara (granitica).

E.       Harta structurala realizata la baza crustei terestre (discontinuitatea Mohorovicic) (Fig. 5). Al patrulea compartiment este constituit din crusta inferioara (bazaltica).

In acest prim model geofizic crustal nu au fost luate in considerare variatii laterale de densitate in interiorul compartimentelor, variatii laterale aparand datorita variatiilor importante de grosime ale acestora. Valorile medii de densitate atribuite compartimentelor descrise mai sus, ce se considera a fi reprezentative pentru o mare varietate de roci incluse in fiecare compartiment, sunt urmatoarele:

a) 2,27 g/cm³ pentru formatiunile sedimentare neogene si cuaternare;

b) 2,57 g/cm³ pentru formatiunile sedimentare mai vechi decat Neogenul;

c) 2,77 g/cm³ pentru crusta superioara;

d) 2,97 g/cm³ pentru crusta inferioara;

e) 3,27 g/cm³ pentru mantaua superioara.

Pentru modelul geofizic crustal tridimensional construit au fost evaluate contrastele de densitate dintre compartimentele constitutive si calculat efectul gravimetric. Harta gravimetrica a modelului crustal (Fig. 6) prezinta o buna corelare cu harta gravimetrica Bouguer realizata prin masuratori (Fig. 7), aratand faptul ca modelul geofizic crustal prezinta caracteristici apropiate de structura crustei terestre din Romania. Deosebirile ce se pot constata au urmatoarele cauze majore: a) harta calculata include numai efectul crustei terestre, spre deosebire de harta masurata, care include si efecte mai adanci, avand cauze situate in manta sau la limita manta - nucleu;

b) modelul crustal realizat de noi nu reproduce cu precizie limitele de contrast petrofizic, iar valorile medii de densitate nu pot urmari variatiile de densitate datorate unor variatii importante de facies.

Pentru a obtine informatii asupra unor distributii de densitate profunde, situate in mantaua superioara, din harta gravimetrica Bouguer initiala a fost scazut efectul gravimetric al modelului geofizic 3D crustal realizat, procedeu denumit "gravity stripping" (Hammer, 1963) sau "descoperta gravimetrica", in literatura geofizica din Romania. Harta gravimetrica obtinuta prin acest procedeu (Fig. 8) include atat efecte ale unor structuri insuficient cunoscute din interiorul crustei, cat si al unor structuri majore, situate in cuprinsul mantalei superioare.

Concluzii

Acest model geofizic crustal pentru teritoriul Romaniei este realizat in conditiile existentei unor informatii geofizice si petrofizice de calitate, acumulate in ultimele decenii de activitate geofizica sustinuta. Aceste date au permis atat construirea modelului, prin definirea limitelor majore de contrast fizic la scara intregului teritoriu, cat si evaluarea unor valori medii pentru parametrul petrofizic utilizat.

Alegerea hartii gravimetrice, in varianta setului de valori medii de gravitate Bouguer in retea 5' x 7,5' (Ioane, 1993), pentru realizarea modelarii 3D, a fost determinata de buna acoperire cu masuratori geofizice de calitate a intregului teritoriu (Nicolescu, Rosca, 1992).

Programul de modelare gravimetrica (Ivan, 1996) a dat posibilitatea realizarii unei modelari tridimensionale pentru intreaga crusta terestra din Romania si a unei prelucrari ulterioare de tip "gravity stripping", sau descoperta gravimetrica.

Harta de descoperta gravimetrica obtinuta ilustreaza situatii tectonice interesante la nivelul discontinuitatii Mohorovicic, ce pot fi luate in considerare pentru elaborarea unor noi modele tectonice si geodinamice pentru teritoriul Romaniei.