Введение к работе
С внедрением новейших технологий геолого-геофизических исследований Мирового океана в последнее десятилетие достипгут значительный прогресс в понимании процессов образования и эволюции океанической земной коры, представляющей почти две трети поверхностной геологической оболочки планеты. Многолучевыми эхолотными системами выделены нетрансформные нарушения океанических рифтов, что привело к разработке концептуального представления об их сегментации. Сейсмометрическими работами ШГСП изучена геометрия магматических камер в центрах спрединга и глубинная структура зрелой океанической коры. Сейсмологическими наблюдениями установлено наличие осевого сейсмогенного литосферного слоя под низкоскоростными срединно-океаническими хребтами (СОХ). Детальными гравиметрическими исследованиями с применением методики ЗБ-моделирования выявлены вариации мощности коры вдоль "медленных" центров спрединга. Спутниковые альшиетричеекке съемки, покрывающие весь Мировой океан, и региональные компьютерные сводки магнитных данных позволили на повой фактической основе рассмотреть тектонические модели глобального уровня. Глубоководным бурением опробованы породы низов океанической коры, чем в значительной мере снижена неопределенность моделей при интерпретации геологических и геофизических данных. Одновременно с поступлением новой информации развиты количественные геомеханические модели, существенно продвшгувшие понимание процессов формирования океанической коры.
Объем новой информации и теоретическое моделирование привели к обоснованию двух концептуальных представлений, отвечающих новой парадигме океанской геотектоники. Во-первых, на смену исходному положению тектоники плит о двумерном спрединге, который приводит к равномерной аккреции вдоль дивергентных границ литосферных плит, разделенных регулярно распределенными трансформными разломами на стационарные спрединговые ячейки, пришла модель сегментированного магматического апвеллинга, из которой следует, что индивидуализированные сегменты океанического рифта, в том числе разделенные "нежесткими" нарушениями, развиваются относительно независимым образом. Во-вторых, геоморфологические, геофизические и геохимические характеристики "быстрых" и "медленных" спрединговых центров и их численное моделирование свидетельствуют о различиях процессов корообразования для этих океанических тектоиотипов. Более сложным и существенно трехмерным в свете данных, полученных с использованием новейших гсотехнологий, представляется процесс аккреции океанической коры при медленном спрединге, что приводит к возникновению структурных пеоднородностей, "отпечатанных" в геофизических характеристиках.
Природа временных и пространственных вариаций спредингового процесса до сих пор недостаточно изучена, поскольку основные усилия сосредоточены на наблюдениях современных процессов в центрах спрединга. Исследования океанических рифтов проводятся в рамках национальных научных программ RIDGE (США), BRIDGE (Великобритания), FARA (Франция, США). В России основной объем данных в пределах СОХ получен при геологических работах на глубоководные полиметаллические сульфиды (ГПС) подразделениями РОСКОМНЕДРА (ранее МинГео СССР) и институтами Академии Наук. Международный комитет InterRIDGE осуществляет координацию программ изучения центров спрединга и вырабатывает рекомендации по дальнейшему развитию исследований.
По мерс накопления данных в пределах СОХ осознается необходимость натурных наблюдений вне осевых зон, что позволит связать неоднородности аккреционных процессов на дивергентной границе с эволюцией океанской литосферы. За рубежом первые попьпкн более широкого рассмотрения сегментации океанической коры предприняты в рамках американской программы NRL (Natural Research Laboratory) /Tucholke e.a.,1991/ и французского проекта SARA ("Segmentation Ancienne de la Ridge Atlantique") /Patria e.a.,1990/. В России (ранее СССР) такой подход начал развиваться намного раньше, с реализацией программы океанских ге іраверсов - репрезентативных трансокеанических полос систематического гсолого-геофизического картографирования. Основные
принципом доисследования и принятыми $ мировом геосообществе стандартами создания согласованных баз данных;
- сформулировать концептуальную модель банка региональных геолого-геофизических данных в океане а реализовать ее в виде модульной компьютерной системы открытого типа, обеспечивающей накопление информации, картогра-фировапие и интерпретацию;
развить методические приемы трехмерного гравимагнитного моделирования, возрастного анализа геофизических характеристик и осуществить комплексную интерпретацию данных в рачках методологии максимального использования внутриліетодньїх возможностей и поиска перекрытия структуры решений в различных специализациях.
Оригинальный фактический материал, положенный е основу диссертации, получен в ходе экспедиционных іеофизических работ подразделений ассоциации "Севморгеология" на КБІТ. Использованы фондовые материалы с результатами производственных рейсов Мишсо СССР (РОСКОМНЕДРА), проведенных под эгадой МГС и но программе геологоразведочных работ на ГПС, а также результаты гидромагнитиых съемок ГУНИО ВМФ. Эти данные переведены в цифровую форму и переобработапы. В компиляцию включен значительный обьем цифровой батиметрической и магнитометрической информации, полученной из Атлантического Центра Геонаук (Канада) и Национального Геофизического Центра Данных (США). Использованы многочисленные публикации, в том числе, детальные батиметрические каргы /Tucholkc е.а.,1988; Purdy е.а.,1990/, карты мантийных аномалий Бутс /Lin е.а.,]990; Morris, Detrick,199]/, сводные карты магнитных аномалий /Verhocf е.а.,1992; P.oest е.а.,1992/, карта гравитационного поля по спутниковым данным /Sandwell е.а.,1993/, цифровой файл с координатами разломов Атлантики /Mullcr, Roest,1992/, временные сейсмические разрезы ШГСП/Multer с.а.,1984; White е.а.,1990/, а также отчеты Проекта Глубоководного Бурения.
Методика исследований предусматривала широкое использование компьютерных технологий обработки, картографирования и интерпретации геофизических данных. После создания согласованных баз данных информация переводилась в форму і-рида по алгоритму минимума кривизны поверхности /Briggs,1974/. При плотностном и магнитном моделировании применялись разнообразные способы решения прямых и обратных задач грави-и магнитометрии в двумерной и трехмерной постановке, методика геохроно-логической интерпретации аномального магнитного поля (АМП), кросспектральный анализ аномалий поля силы тяжести и глубин дна. Все методические приемы реализованы в виде программною обеспечения, функционирующего!) среде 1ВМ/РС-совместлмых компьютеров.
Личный вклад автора выражается в непосредственном участии во всех стадиях исследований, включая планирование работ на гсотраверсе, сбор фактического материала в рейсах научно-исследовательских судов (два из которых проводились иод его научным руководством), проведение плановых научно-исследовательских работ ВНИИОкеангеология в качестве ответственного исполниеля, внедрение результатов разработок в практику морских производственных геологических оріанизаций. Проблемой изучения глубинного строения океанической литосферы автор занимается с начала 80-х годов, с 1988 года им осуществляется научно-методическое руководство работами по программе- Канаро-Багамского геотраверса.
Научный вклад автора состоит в решении следующих вопросов:
разработке методических принципов унификации геофизической информации в согласованных цифровых базах данных по геотраверсам;
обосновании концептуальной модели банка данных по региональной геофизике океана и ее реализации в виде модульной компьютерной технологаи открытого типа;
обнаружении среднемасштабной сегментации САХ между разломами Кеші и Атлантис на основе комплексной интерпретации геоморфолого-геофизических данных;
описании тектонических моделей образования V-образных структур и внеосевых магматических очагов;
принципы этой методологии разработаны Ю.Е.Погребицкнм в начале 80-х годов, а успешное завершение цикла работ на Анголо-Бразильском геотраверсе /Погребиикий и др., 1990/ убедительно продемонстрировало се преимущества для решения фундаментальных проблем океанской геологии.
Рассмотрение пространственно-временного аспекта проблемы аккреции коры требует "взгляда" на все геологическое пространство, сформированное в ходе спрединга, от окраин океана до рифтовой зоны. Единственное средство такого охвата представляют спутниковые съемки, однако их разрешающая способность недостаточна. Существует "белое пятно" в масштабах дистанционного картирования между детальными исследованиями СОХ и глобальной сетью спутниковых измерений. Этот разрыв заполняется систематизацией комплексной геолого-гсофизической информации по океаническим гсотраверсам на основе обобщения цифровых данных по сети наблюдений, протяженность и ширина которой позволяет охарактеризовать весь эволюционный ряд структур в провинциях спрединга.
Один из ключевых вопросов, на который еще не получено ясного ответа - имеет ли сегментация "медленных" океанических рифтов первично-магматическое или первично-дизъюнктивное происхождение. Иными словами, что приводит к поверхностному геоморфологическому выражению сегментации океанической коры и ее проявлению в геофизических характеристиках: неоднородности структуры мантийного анвеллшна или гео-механпческие процессы в литосфере.
Актуальность представляемой работы заключается, таким образом, в необходимости дальнейшего развития теории тектоники плит и, в частности, в решении одной из ее центральных проблем - аккреции океанической коры в эволюционном аспекте, что открывает новые перспективы для увязки истории геологического развития Мирового океана, его минерагении и глобальных географических изменений. Соответствие проблематики работы современным запросам наук о Земле проистекает из прямой связи темы диссертации с отечественной НТП "Мировой океан" Миннауки РФ и рядом международных проектов: "Компиляция магнитных данных", "Цифровая обработка геотрансектов", "Циркум-Атлантик".
Цель работы - установить закономерности процесса аккреции океанической коры при медленном спрединге, исследовать его пространственно-временные изменения иих влияние на структурные особенности коры, отраженные в геофизических характеристиках.
В качестве основного объекта исследований выбрана полоса Центральной Атлантики между 23 и 29с.ш., где проводятся систематические исследования по программе Канаро-Багамского геотраверса (КБГГ). Эта полоса - гектоиотинический регион медленно раскрывающегося океана, перспективный на ГПС и другие полезные ископаемые.
выяснить связи между современными проявлениями сегментации СОХ и структурными неоднородностяки коры, зафиксированными в геофизических характеристиках других провинций спрединга;
проследить эволюцию земной коры в ходе раскрытия океана и объяснить аномалии ее структуры;
оценить численные геомеханические модели аккреции океанической коры с позиций систематического геофизического картирования;
на основе геоисторического анализа магнитных аномалий проследить пространственно-временные вариации спредингового процесса и получить возрастную привязку геофизических характеристик;
изучить происхождение V-образных структур, определить "время жизни" нетрансформных нарушений и сегментации коры.
Для оценки возможностей геотраверсного натурного эксперимента и эффективного использования его результатов необходимо было также решить рад задач методического и технологического характера:
- разработать технологию формальной и содержательной унификации геофизических материалов для проведения цифровой компиляции в соответствии с
изучении пространственно-временных вариаций низкоскоростного спредингового процесса в сопоставлении со структурными неоднородностями земной коры;
уточнении представлений о происхождении аномальной структуры коры вблизи зон раз-ломных нарушений за счет привлечения результатов интерпретации гравимагнитных данных при истолковании особенностей волновых полей сейсмических временных разрезов.
Ряд затронугых в диссертации вопросов разрабатывался автором совместно с коллегами. Методические и технологические решения представляют конкретную реализацию методологии геотраверсных исследований в океане, которая была обоснована Ю.Е.Пог-ребицким. Изучение плотностной структуры литосферы с использованием адмиттанс-технологии проводилось вместе с Е.Г.Астафуровой и И.В.Беляевым. Амплитудные характеристики магнитных аномалий исследовались совместно с Е.Г.Астафуровой. АЛ.Писка-ревым было обращено внимание на связь возрастной изменчивости АМП с естественной остаточной намагниченностью и железистостью базальтов. Идентификация линейных магнитных аномалий осуществлена вместе с В.Ю.Глебовским. Проблема средпемасштабной сегментации САХ исследована, благодаря кондиционной карте рельефа дна, построенной Е.В.Бочаровой.В работе использованы сейсмические материалы, обработанные Н.В.Ба-линой, С.К.Шкарубо (ГП МАГЭ), Л.А.Дараган-Сущовой, А.Д.Павленкиным и С.В.Сге-паповым, вместе с ними проводилась геологическая интерпретация разрезов. Вопрос пространственно-временной нестабильности спрединга в Атлантике и ее связи с движениями литосферных плит изучался совместно с В.Роестом (Геологическая Служба Канады). Часть расчетов и карт выполнена автором в Атлаіітическом Центре Геонаук (Дартмут, Канада).
Реализация работы была бы невозможна без каждодневного сотрудничества с М.С.Корневой, осуществлявшей программную поддержку исследований автора. В созданной под методическим руководством диссертанта компьютерной технологии использованы программные модули Э.А.Ванневой, В.Г.Боярских (СПбФ ИЗМИРАН), Н.М.Костецкого, А.С.Помпеева, Д.В.Краснова (СПбГУ), В.А.Яновского (СПбФ ИЗМИРАН), Д.Ф.Калинииа (ВИРГ). С.А.Меркурьева (СПбФ ИЗМИРАН), Э.Джонсона (Британская Антарктическая Служба), а также Р.Годсош, Л.Корделл, Дж.Филиппса, Р.Блэйкели, М.Вебринга (Геологическая Служба США).
Основные защищаемые положения: /. Изучение и моделирование структурно-вещественной эволюции земной коры океана обеспечивается постановкой специального натурного эксперимента, сочетающего унифицированные площадные и профильные геолого-геофизические наблюдения в разновозрастных областях, что реализуется отработкой геотраверсов, пересекающих провинции спрединга. Канаро-Багам'-кий геотраверс - репрезентативное сечение литосферы медленно раскрывающегося океана.
-
Модульная компьютерная технология, включающая предбанковскую обработку материалов, режим прямого доступа к базам данных, блоки автоматизированной картографии, количественной интерпретации, позволяет организовать комплексный натурный эксперимент, обобщить информацию и осуществить 40-моделира-вание - провести пространственно-временной анализ геофизических характеристик.
-
Сегментация зрелой океанической коры проявляется в сочетании нескольких структурных планов, обусловленных изменениями режима аккреции в ПФіеоцентре спрединга и переработкой литосферы вблизи зон тектонических нарушений при серпентинизации пород верхней мантии.
-
Низкоскоростной спрединг - существенно нестационарный процесс, что отражается в изменениях простирания рифтовой оси, ее смещениях, вариациях темпа раскрытия и асимметрии аккреции коры. Эволюционная перестройка литосферы отражена в смене характера изостазии (упругая плита Эйри) и возрастной изменчивости магнитоактивного слоя. При изменениях направлений движений в системе рифт-трансформ развиваются внеосевые аккреционные центры, функционирование которых приводит к дополнительному осложнению структуры земной коры.
5. Среднемасштабная сегментация "медленного" центра спрединга имеет долго-живущий характер и проявляется в различиях геомеханических характеристик разреза и интенсивности аккреции коры, которая тесно связана с Зй-структурой мантийного апееллинга. Комплексный анализ геофизических и геоморфологических "отпечатков" сегментации позволяет идентифицировать преимущественно "геомеханический" и преимущественно "магматический" сценарии аккреционного процесса. Сочетание термического возмущения с разломообразованием вблизи V-образных структур и резких изгибов оси рифта является благоприятным фактором для гидротермальной активности.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что проблема аккреции океанической коры решена нз основе системного рассмотрения геофизических данных для всего эволюционного ряда структур от современного центра спрединга до краевых частей океана.
Впервые обосновано положение о среднемасштабной сегментации САХ, развиты представления о ее долгоживущем характере и оценено время "жизни" сегментов. Предложены модели формирования V-образных структур и развития внеосевых аккреционных центров в бортах трансформных разломов. Определен возрастной рубеж смены стилей изостатической компенсации океанической литосферы. На систематическом материале исследована возрастная изменчивость магнитоактивного слоя. По комплексу данных выявлены "отпечатки" палеотрансформного разлома к югу от зоны разломов Атлантнс. Подтверждена интерпретацией грзвимагнитных данных серпентинитовая гипотеза происхождения аномальных слоев в нижней части коры вблизи тектонических нарушений.
Ряд картографических материалов: карта мантийных аномалий Буге для района развития литосферы возрастом до 50 млнлет, расчетная карта мощности земной коры по результатам ^-гравитационного моделирования, детальная цифровая карта возраста литосферы, карта остаточных магнитных аномалий, - не имеет аналогов.
Новые методические решения получены при создании согласованной базы данных по АМП (определение уровня относимости, увязка многолетних наблюдений), редуцировании аномалий поля силы тяжести (расчет региональных уровней приведения на основе статистического анализа гридированнои информации), моделировании плотностнои структуры литосферы с использованием адмиттанс-технологии (картирование остаточных аномалий и возрастной анализ наборов данных), проведении геоисторического анализа магнитных аномалий (использование модели утолщенного инверсионного магнитоактивного слоя).
Компьютерная поддержка банка данных КБГТ содержит ряд оригинальных технологических и программных решений, позволяющих организовать массовую цифровую обработку большого объема данных на дешевых персональных компьютерах класса IBM/PC.
Практическое значение диссертации определяется:
возможностью использования результатов анализа неоднородностей структуры океани
ческой земной коры при тектоническом и минерагеническом районировании;
в перспективами прогноза участков низкоскоростного центра спрединга на ГПС с учетом границ среднемасштабной сегментации;
экономической целесообразностью проведения работ по принципу доисследования: использование развитых в работе принципов унификации геофизической информации может существенно удешевить реализацию новых проектов регионального изучения Мирового океана;
технологической совместимостью разработанной компьютерной технологии открытого типа с разнообразными видами геофизических работ на акваториях океанов, шельфов, в Арктике и Антарктике, что обеспечивает ее адаптируемость к новым съемочным объектам.
Реализация результатов работы заключается в разработке концепции формирования океанической коры при медленном спрединге и создании фундаментального банка геофизических данных для использования при геотектоническом синтезе и минерагеническом районировании Мирового океана, выборе направлений геологоразведочных работ. Банк
данных реализован в виде конкретной компьютерной системы, обеспечивающей информационную поддержку региональных геофизических работ.
Комплекс данных К.БГТ учитывался при создании тектонической карты Атлантического сегмента Земли (Ю.Е.Погребицкий,1993). Результаты ЗО-гравитациопного моделирования, приведенные в диссертации, использованы для оценки сейсмотектонического потенциала шютностных нсоднородцостей верхней мантии Центральной Атлантики (С.А.Болдырев и др., 1994). Картографические материалы по АМП переданы во ВСЕГЕИ для включения в карту магнитных аномалий Мира (Отв.редактор Н.М.Соловьева). Цифровая магнитометрическая и батиметрическая информация, представленная в диссертации, использована в базе данных международного Проекта Компиляции магнитных данных по Арктике и Северной Атлантике (R.Macnab е.а.,1993). Результаты автора по геоисторическому анализу мапштных аномалий применялись при создании количественных плитотектонических моделей (D.Mullcr е.а.,1992) и цифровой базы данных о возрасте дна Мирового океана (D.Mullcr е.а.,1993).
Созданные в ходе работы над диссертацией пакеты программ внедрены в производственные организации. В ГП ПМГРЭ (^Ломоносов) передана система экспресс-обработки геофишческих данных при проведении экспедиционных работ, в ГП МАГЭ (г.Мурманск) -комплекс программ картографирования и интерпретации гравимашитных данных. Ряд программ активно используется в различных отделах ВНИИОкеангеология.
Результаты исследований автора легли в основу разработки раздела "Геотраверсы" программы "Мировой океан" Миннауки РФ и "Научно-методических основ региональных исследований глубинного строения литосферы океанов на базе трансокеанических геотра-версов, глубоководного бурения, морских и спутниковых геофизических данных" РОСКОМНЕДРА, а также широко использовались при проектировании научно-исследовательских рейсов судов ассоциации "Севморгеология".
Апробация работы. Основные результаты и отдельные положения диссертации докладывались автором на различных отечественных и международных научных симпозиумах: Всесоюзном семинаре "Геологическая интерпретация гравимашитных аномалий" (Ленинград, 1986), 7-9 Всесоюзных школах морской геологии (Геленджик, 1986,1988,1990), Всесоюзной совещании "Тектоника литосферных плит" (Звснигород,1987), Всесоюзной конференции по морской геофизике (Баку, 1987), Ш Съезде советских океанологов (Ленинград, 1987), III, IV и VI Межведомственных конференциях по новейшим достижениям в морской іеологии (Ленинград, С-Петербург, 1990,1992,1994), Осенней сессии Американского Геофизического Союза (Сан-Франциско, 1990),ХХ Генеральной Ассамблее Международных Союзов Геофизики и Геодезии (Вена,1991), Всероссийском семинаре "Электромагнитные исследования морей и океанов" (Москва, 1992), Международной конференции по разведочной геофизике "SEG-92" (Москва, 1992), 29 сессии Международного Геологического Конгресса (Киото,1992), Генеральной Ассамблее Международной Ассоциации Геомагнетизма и Аэрономии (Буэиос-Айрсс,1993), Междисциплинарном симпозиуме InterRIDGE (Дарэм,1993), международных конференциях "Тектоника плит" памяти Л.П.Зоненшайна (Аксаково,1993) и "Морская и аэрогравиметрия'94" (С-Петербург,1994).
Доклады, подготовленные диссертантом совместно с коллегами, представлялись также на Осенних и Весенних сессиях Американского Геофизического Союза (Сан-Франциско, 1991, Монреаль, 1992), Конференции Канадского Геологического общества (Вольфвиль, 1992), Международной конференции "Геофизика и современный мир" (Москва, 1993).
Научные проблемы, затронутые в диссертации, обсуждались на заседаниях семинаров Отдела Региональных Исследований Атлантического Центра Геонаук Геологической Службы Канады (Дартмут.1991,1992), отдела геологии и геофизики Вудсхоллского океанографического института (Вудсхолл, 1992), рабочих групп по цифровой обработке гсотрансектов Межсоюзной Комиссии по Литосфере (Вена,1991; Киото,1992), по картированию магнитных аномалий континентов и океанов Международной Ассоциации по Геомагнетизму и Аэрономии (Вена,1991; Буэнос-Айрес, 1993), на открытой дискуссии "Взаимосвязь между магматической и тектонической сегментацией" симпозиума InterRIDGE (Дарэм,1993).
Диссертант неоднократно выступал с изложением результатов своих работ на на заседаниях Ученого Совета ВНИИОкеангеология, научно-технических советов ГП ПМГРЭ, ГП МАГЭ, ГП"Севморгео". Диссертация в целом обсуждалась на заседании Ученого Совета ВНИИОкеангеология.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 60 работах, в том числе в пяти коллективных монографиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения общим объемом 384 стр. (154 рис., 5 табл., лит. 363).