VOLUMETRIC AND SPATIAL SEGMENTATION OF THE TIEN SHAN LITHOSPHERE ACCORDING TO GEOPHYSICAL DATA

This article consolidates the results of studying the deep structure of the lithosphere of the Central Tien Shan, which aimed to identify the main tectonic elements in its geophysical models. We have compared the structural and geological data with the information on the deep structure obtained by geophysical methods and from the positions of earthquake hypocenters in the study area. According to geological concepts, the Tien Shan orogenic belt is characterized by longitudinal and transverse segmentation. The boundaries of the Northern, Middle, Southern Western and Eastern segments of the Tien Shan are deep-seated fault structures. In deep faults and channels of heat and mass transfer, endogenous processes are localized. High-velocity, geoelectrical and thermal models consider such faults and channels as contrasting objects that can be referred to as indicators of these processes.Our analysis of the locations of earthquake hypocenters from NNC, KNET, CAIIG, KRNET, SOME catalogues shows that seismic events are strongly confined to the fault zones and the boundaries of large blocks. A correlation between the anomalies of geophysical fields suggests the degree of inheritance of tectonic structures and the boundaries of the main tectonic segments of the Tien Shan. To compare the crustal and upper mantle heterogeneities reflected in different geophysical fields, we have analyzed seismic tomographic sections based on volumetric seismotomographic models geoelectric and velocity sections along profiles across the main tectonic elements of the study area. The sections are used to identify the zones with relatively low (i.e. reduced) seismic wave velocities and detect the deep-seated longitudinal segmentation of the folded belt. Objects showing anomalous seismic wave velocities are found in the seismotomographic sections at all the depths under consideration. The most contrasting differences in the velocities of P- and S-waves are typical of the depths of 0-5 km and 50-65 km, showing the most clearly observed Northern, Southern and Western segments of the Tien Shan. In general, the velocities of P- and S-waves at the Northern Tien Shan are higher than those at the Middle and Southern segments. We have analyzed the distribution of geoelectric heterogeneities identified from magnetotelluric sounding data in order to determine the boundaries of the main tectonic elements that are considered as the zones of increased electrical conductivity confined to the boundaries of the fault structures. The distribution of earthquake epicenters clearly reflects the segmentation of the Tien Shan into the Northern, Middle and Southern segments and shows the Western and Eastern Tien Shan relative to the Talas-Fergana fault. Ourstudies of the crust and the upper mantle of the Tien Shan have confirmed that the abovementioned tectonic segments have differences in their deep structures Based on a comprehensive analysis of the study results, we can qualitatively identify a relationship between the distribution of the velocity and geoelectric heterogeneities in the crust and upper mantle, seismicity and the stress-strain state of the crust

КОМПЛЕКСНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОНИТОРИНГ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СЕВЕРНОГО ТЯНЬ‐ШАНЯ (БИШКЕКСКИЙ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОЛИГОН)

At the Bishkek geodynamic test area in the Northern Tien Shan, complex electromagnetic monitoring was conducted, including a wide frequency range by magnetotelluric sounding in various modifications and induction sounding with a controlled impulse source (method of sounding in the far zone, SFZ). The geoelectrical sections of the lithosphere were constructed for the study area. Based on the geophysical monitoring data and the profile MT moni‐ toring data on the Baitik depression, the main faults belonging to the Northern Tien Shan fault system were detected: Shamsi‐Tyundyuk (Predkirgizsky), Baitik, Chonkurchak, and Issyk‐Ata. From the geoelectrical data, we obtained new information that is independent of other geophysical methods used for studying the deep structure of the Earth – the hidden fault structures and the geoelectrical segmentation of the study area were revealed. The latter reflects the main elements of the block structure of the junction zone of the Chuya basin and the Kirghiz ridge. This information needs to be taken into account when constructing a comprehensive model showing the geological, geophysical and geodynamical features of the development of the Tien Shan, a vivid example of an intracontinental orogen. The MTS, FS and SFZ data from the Ak‐Suu and Chon‐Kurchak electromagnetic monitoring stations were interpreted. Based on the representative array of experimental electromagnetic data, we analyzed the effective depths of field penetration, which are most sensitive to changes in the electromagnetic parameters of the medium for the stationary and routine observation sites with respect to the clusters of seismic events. This paper discusses the development of the azimuth MT monitoring technique and the analysis of the time series of electromagnetic parameters, which were used for de‐ termining the contribution of each component of the impedance tensor to the informativeness of the monitoring stu‐ dies. The data from the 2004–2016 KNET Catalogue of the Research Station of RAS were analyzed in order to investi‐ gate the relationship between the space‐time seismicity distribution and the electrical conductivity variations that correspond to the features of the seismicity pattern at depth. Examples discussed are the time‐frequency series of MT monitoring in 2007 and 2016 at the Ak‐Suu and Chon‐Kurchak stations that identified anomalous electromagnetic parameters corresponding to the fluid redistribution model for the pore‐cracked medium: syn‐phase decreasing and increasing values of the parameter by the orthogonal azimuths. Thus, a phenomenological model has been tested. It relates the change in the stress‐strain state of the medium with the redistribution of fluids between the systems of fractures, which causes variations in the active and reactive components of the electrical resistance.На основе комплексных электромагнитных исследований, выполненных в широком частотном диапазоне различными модификациями метода магнитотеллурического (МТ) зондирования с привлечением индукционного зондирования с импульсным контролируемым источником поля (метод зондирования становлением поля в дальней зоне (ЗСД)), для территории Бишкекского геодинамического полигона построены геоэлектрические разрезы литосферы Северного Тянь‐Шаня. Выявлены основные разрывные нарушения – Шамси‐Тюндюкский (Предкиргизский), Байтикский, Чонкурчакский и Иссык‐Атинский разломы, входящие в состав Северо‐Тянь‐Шаньской системы разломов, которые проявляются как на геоэлектрических разрезах, построенных вдоль профилей, выполненных в зоне расположения стационаров геофизического мониторинга, так и в Байтикской впадине, где осуществляется профильный МТ‐мониторинг. По данным геоэлектрики получена новая, независимая от других геофизических методов изучения глубинного строения Земли информация – существование скрытых разломных структур и геоэлектрической сегментации исследуемой территории, отражающей основные элементы блочной структуры зоны сочленения Чуйской впадины и Киргизского хребта, которую необходимо учитывать при построении комплексной геолого‐геофизической геодинамической модели развития Тянь‐Шаня как яркого примера внутриконтинентального орогена. Рассмотрены результаты комплексной интерпретации данных МТЗ, ЧЗ и ЗСД для стационарных пунктов электромагнитного мониторинга Чон‐Курчак и Ак‐Суу. На представительном массиве экспериментальных электромагнитных данных проанализированы интервалы периодов (эффективных глубин проникновения поля), наиболее чувствительных к изменению электромагнитных параметров среды для стационарных и режимных пунктов наблюдений по отношению к кластерам сейсмических событий. В работе отражены исследования, связанные с развитием методики азимутального МТ‐мониторинга, которые заключаются в анализе полученных временных рядов электромагнитных параметров на предмет определения вклада каждой из компонент тензора импеданса в информативность мониторинговых исследований. С целью изучения взаимосвязи пространственно‐временного распределения сейсмичности и вариаций электропроводности, отвечающих особенностям глубинного распределения сейсмичности, был проведен статистический анализ данных каталога КNЕТ Научной станции РАН за 2004–2016 гг. В качестве примера приведены частотно‐временные ряды МТ‐мониторинга за 2007 и 2016 гг. для стационаров Ак‐Суу и Чон‐Курчак, где выделены аномалии электромагнитных параметров, соответствующих модели перераспределения флюида в порово‐трещинном пространстве, т.е. синфазное уменьшение и увеличение значений параметра на ортогональные азимуты. Таким образом, апробирована феноменологическая модель, связывающая изменение напряженно‐деформированного состояния среды с перераспределением флюидов между системами трещин, которое и вызывает вариации активной и реактивной компоненты электрического сопротивления

GEOLOGICAL AND GEOPHYSICAL TRANSECT OF THE MIDDLE TIEN SHAN ACROSS THE NARYN AND ATBASHI DEPRESSIONS

The article presents the results of integrated geological and geophysical research works dealt with detailed magnetotelluric (MT) sounding and the study of the morphology and spatial position of the sedimentary cover and basement structures along the key transect of the Middle Tien Shan crossing the Naryn and Atbashi depressions. The data on the distribution of deep electrical conductivity of the crust and upper mantle were compared with the seismic profiling data. The compilation of the results of structural-geological and geophysical studies provided the opportunity to draw 2D upper-crust geological structure, consistent with the structure of electrical conductivity of the crust to depths of about 10 km. The detailed geological cross-sections and the structural and geological data allow us to characterize the deformations of the Cenozoic sedimentary complex and Paleozoic basement surface associated with the alpine activation of the key segment of the Tien Shan. It is shown that the Cenozoic structural parageneses emerged during a relatively short-term phase of deformation and orogeny under conditions of horizontal compression and transpression, which did not manifest themselves during sagging that occurred previously

ОБЪЕМНО-ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СЕГМЕНТАЦИЯ ЛИТОСФЕРЫ ТЯНЬ-ШАНЯ ПО ДАННЫМ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

This article consolidates the results of studying the deep structure of the lithosphere of the Central Tien Shan, which aimed to identify the main tectonic elements in its geophysical models. We have compared the structural and geological data with the information on the deep structure obtained by geophysical methods and from the positions of earthquake hypocenters in the study area. According to geological concepts, the Tien Shan orogenic belt is characterized by longitudinal and transverse segmentation. The boundaries of the Northern, Middle, Southern Western and Eastern segments of the Tien Shan are deep-seated fault structures. In deep faults and channels of heat and mass transfer, endogenous processes are localized. High-velocity, geoelectrical and thermal models consider such faults and channels as contrasting objects that can be referred to as indicators of these processes.Our analysis of the locations of earthquake hypocenters from NNC, KNET, CAIIG, KRNET, SOME catalogues shows that seismic events are strongly confined to the fault zones and the boundaries of large blocks. A correlation between the anomalies of geophysical fields suggests the degree of inheritance of tectonic structures and the boundaries of the main tectonic segments of the Tien Shan. To compare the crustal and upper mantle heterogeneities reflected in different geophysical fields, we have analyzed seismic tomographic sections based on volumetric seismotomographic models geoelectric and velocity sections along profiles across the main tectonic elements of the study area. The sections are used to identify the zones with relatively low (i.e. reduced) seismic wave velocities and detect the deep-seated longitudinal segmentation of the folded belt. Objects showing anomalous seismic wave velocities are found in the seismotomographic sections at all the depths under consideration. The most contrasting differences in the velocities of P- and S-waves are typical of the depths of 0-5 km and 50-65 km, showing the most clearly observed Northern, Southern and Western segments of the Tien Shan. In general, the velocities of P- and S-waves at the Northern Tien Shan are higher than those at the Middle and Southern segments. We have analyzed the distribution of geoelectric heterogeneities identified from magnetotelluric sounding data in order to determine the boundaries of the main tectonic elements that are considered as the zones of increased electrical conductivity confined to the boundaries of the fault structures. The distribution of earthquake epicenters clearly reflects the segmentation of the Tien Shan into the Northern, Middle and Southern segments and shows the Western and Eastern Tien Shan relative to the Talas-Fergana fault. Ourstudies of the crust and the upper mantle of the Tien Shan have confirmed that the abovementioned tectonic segments have differences in their deep structures Based on a comprehensive analysis of the study results, we can qualitatively identify a relationship between the distribution of the velocity and geoelectric heterogeneities in the crust and upper mantle, seismicity and the stress-strain state of the crust.Статья посвящена обобщению результатов изучения глубинного строения литосферы Центрального Тянь-Шаня с целью выявления основных тектонических элементов в существующих геофизических моделях. Приведены результаты сопоставления данных структурно-геологических исследований с данными о глубинном строении, полученными комплексом геофизических методов, и положением гипоцентров землетрясений. Согласно геологическим представлениям Тянь-Шаньский орогенический пояс характеризуется продольной и поперечной сегментацией. Границами Северного, Срединного и Южного Тянь-Шаня, а также Западного и Восточного служат разломные структуры глубинного заложения. Глубинные разломы и каналы тепломассоперетока характеризуются обособленным (локализованным) проявлением эндогенных процессов, представляют собой контрастные объекты в скоростных, геоэлектрических, тепловых моделях и могут служить индикаторными признаками. Анализ каталогов (NNC, KNET, CAIIG, KRNET, SOME) на предмет расположения гипоцентров очагов землетрясений показывает высокую степень пространственной приуроченности сейсмических событий к разломным зонам и границам крупных блоков. Корреляция аномалий геофизических полей позволяет установить степень унаследованности тектонических структур и выявить границы основных тектонических сегментов Тянь-Шаня. Для сопоставления коровых и верхнемантийных неоднородностей, выраженных в различных геофизических полях, проанализированы сейсмотомографические срезы, построенные на основе объемных сейсмотомографических моделей, геоэлектрические и скоростные разрезы вдоль профилей, секущих основные тектонические элементы Тянь-Шаня. Обзор построенных разрезов позволил определить области относительно низкоскоростных зон (с пониженными скоростями сейсмических волн) и глубинные проявления продольной сегментации складчатого пояса. Во всем интервале рассматриваемых глубин на сейсмотомографических срезах наблюдаются аномальные скоростные объекты. Наиболее контрастными по перепаду скоростей продольных и поперечных сейсмических волн являются срезы на глубине 0–5 км и 50–65 км, где наиболее ярко прослеживается масштабная сегментация Тянь-Шаня на северный, южный и западный сегменты. В целом, скорости P- и S-волн для Северного Тянь-Шаня выше скоростей Срединного и Южного. Анализ распределения геоэлектрических неоднородностей, полученных при исследовании Тянь-Шаня методом магнитотеллурического зондирования, позволил определить границы основных тектонических элементов как зоны повышенной электропроводности, приуроченные к границам разломных структур. В распределении эпицентров землетрясений четко проявляются зоны Северного, Срединного и Южного Тянь-Шаня, а также проявляется сегментация Западного и Центрального Тянь-Шаня относительно Таласо-Ферганского разлома. Выполненные исследования земной коры и верхней мантии Тянь-Шаня подтвердили существование различий в глубинном строении между рассматриваемыми тектоническими сегментами. Комплексный анализ полученных результатов позволил на качественном уровне выявить взаимосвязь между распределением скоростных и геоэлектрических неоднородностей в земной коре и верхней мантии, сейсмичностью и напряженно-деформированным состоянием земной коры

ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ТРАНСЕКТ СРЕДИННОГО ТЯНЬ-ШАНЯ ЧЕРЕЗ НАРЫНСКУЮ И АТБАШИНСКУЮ ВПАДИНЫ

The article presents the results of integrated geological and geophysical research works dealt with detailed magnetotelluric (MT) sounding and the study of the morphology and spatial position of the sedimentary cover and basement structures along the key transect of the Middle Tien Shan crossing the Naryn and Atbashi depressions. The data on the distribution of deep electrical conductivity of the crust and upper mantle were compared with the seismic profiling data. The compilation of the results of structural-geological and geophysical studies provided the opportunity to draw 2D upper-crust geological structure, consistent with the structure of electrical conductivity of the crust to depths of about 10 km. The detailed geological cross-sections and the structural and geological data allow us to characterize the deformations of the Cenozoic sedimentary complex and Paleozoic basement surface associated with the alpine activation of the key segment of the Tien Shan. It is shown that the Cenozoic structural parageneses emerged during a relatively short-term phase of deformation and orogeny under conditions of horizontal compression and transpression, which did not manifest themselves during sagging that occurred previously.В статье представлены результаты комплексных геолого-геофизических исследований вдоль ключевого трансекта, пересекающего Нарынскую и Атбашинскую впадины в Срединном Тянь-Шане, которые включали детальные магнитотеллурические (МТ) зондирования и изучение морфологии и пространственного положения структур осадочного чехла и фундамента. Данные о распределении глубинной электрической проводимости коры и верхней мантии сопоставлялись с материалами сейсмического профилирования. Компиляция результатов структурно-геологического и геофизического изучения дала возможность создать 2D-модель верхнекоровой геологической структуры, согласующейся со структурой электрической проводимости коры до глубины около 10 км. Построенный детальный геологический разрез и данные структурно-геологических исследований позволяют полно охарактеризовать деформации кайнозойского осадочного комплекса и поверхности палеозойского фундамента, связанные с альпийской активизацией Тянь-Шаня. Показано, что кайнозойские структурные парагенезы возникли в течение относительно кратковременной фазы деформации и горообразования в условиях горизонтального сжатия и транспрессии, не проявившихся на стадии предшествующего прогибания

COMPLEX ELECTROMAGNETIC MONITORING OF GEODYNAMIC PROCESSES IN THE NORTHERN TIEN SHAN (BISHKEK GEODYNAMIC TEST AREA)

At the Bishkek geodynamic test area in the Northern Tien Shan, complex electromagnetic monitoring was conducted, including a wide frequency range by magnetotelluric sounding in various modifications and induction sounding with a controlled impulse source (method of sounding in the far zone, SFZ). The geoelectrical sections of the lithosphere were constructed for the study area. Based on the geophysical monitoring data and the profile MT moni‐ toring data on the Baitik depression, the main faults belonging to the Northern Tien Shan fault system were detected: Shamsi‐Tyundyuk (Predkirgizsky), Baitik, Chonkurchak, and Issyk‐Ata. From the geoelectrical data, we obtained new information that is independent of other geophysical methods used for studying the deep structure of the Earth – the hidden fault structures and the geoelectrical segmentation of the study area were revealed. The latter reflects the main elements of the block structure of the junction zone of the Chuya basin and the Kirghiz ridge. This information needs to be taken into account when constructing a comprehensive model showing the geological, geophysical and geodynamical features of the development of the Tien Shan, a vivid example of an intracontinental orogen. The MTS, FS and SFZ data from the Ak‐Suu and Chon‐Kurchak electromagnetic monitoring stations were interpreted. Based on the representative array of experimental electromagnetic data, we analyzed the effective depths of field penetration, which are most sensitive to changes in the electromagnetic parameters of the medium for the stationary and routine observation sites with respect to the clusters of seismic events. This paper discusses the development of the azimuth MT monitoring technique and the analysis of the time series of electromagnetic parameters, which were used for de‐ termining the contribution of each component of the impedance tensor to the informativeness of the monitoring stu‐ dies. The data from the 2004–2016 KNET Catalogue of the Research Station of RAS were analyzed in order to investi‐ gate the relationship between the space‐time seismicity distribution and the electrical conductivity variations that correspond to the features of the seismicity pattern at depth. Examples discussed are the time‐frequency series of MT monitoring in 2007 and 2016 at the Ak‐Suu and Chon‐Kurchak stations that identified anomalous electromagnetic parameters corresponding to the fluid redistribution model for the pore‐cracked medium: syn‐phase decreasing and increasing values of the parameter by the orthogonal azimuths. Thus, a phenomenological model has been tested. It relates the change in the stress‐strain state of the medium with the redistribution of fluids between the systems of fractures, which causes variations in the active and reactive components of the electrical resistance

Interrelation of conductivity, seismic velocities and the seismicity for Central Tien Shan lithosphere

The work is devoted to investigation of the deep structure of the Central Tien Shan lithosphere. Comparative analysis of seismic tomography models and results of interpretation of magnetotelluric and magnetovariational soundings along “NARYN” (76°E.) profile, allowed to establish a correlation of velocity features and electrical properties of the Earth’s crust: a) corresponding of zones high conductivity to zones of low seismic velocities; b) low conductivity zones are the areas of high seismic velocities; c) high seismic velocities characterize massif of eclogites detected as a result of complex interpretation of geological and geophysical data. The vast majority of hypocenters seismic events with energy class K > 9 is limited to a depth of 25 km and is located within or near the boundaries of high-resistivity blocks geoelectric model, where the electrical resistivity is 103-104 Ω·m. Quantity of cracks and aqueous fluids in these high-resistance blocks seems not sufficient for the formation of through conductive network. Consequently, they are rigid and able to accumulate the elastic energy for realization of the seismic process