Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Геолого-геофизическая изученность дна Тихого океана
1. Обзор исследований по методу ГСЗ 8
2. Сведения о возрасте дна 17
3. Обзор литературы по состоянию вопроса 21
ГЛАВА 2 Структура коры восточной части Тихого океана и её зависимость от возраста.
1. Основные черты строения земной коры 34
2» Зависимость структуры коры от возраста 44
3. Детальные сейсмические исследования на разновозрастных участках литосферы востока Тихого океана 60
4. Краткие выводы 77
ГЛАВА 3. Структура коры западной части Тихого океана и её зависимость от возраста
1. Основные черты строения земной коры Каролинская котловина и вал Капингамаранги Северо-Западная котловина и возвышенность Шатского 91
2. Детальные сейсмические исследования на разновозрастных участках дна Каролинская котловина Северо-Западная котловина 108
ГЛАВА 4» Основные закономерности изменения структуры коры и некоторые аспекты тектонического развития дна океана
1. Генетический и эволюционный характер изменения структуры коры 114
2. Изменение сейсмических параметров коры и верхней мантии, и важнейшие события тектонического развития литосферы 115
3. Краткие выводы 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
- Обзор исследований по методу ГСЗ
- Основные черты строения земной коры
- Основные черты строения земной коры Каролинская котловина и вал Капингамаранги Северо-Западная котловина и возвышенность Шатского
- Генетический и эволюционный характер изменения структуры коры
Введение к работе
Основной и наиболее надежной информацией о глубинном строении земной коры в океане являются данные глубинного сейсмического зондирования /ГСЗ/. За тридцатилетнюю историю работ этим методом в Тихом океане накоплен сравнительно большой материал о сейсмических параметрах коры и верхней мантии этого региона, в частности, о мощности коры и отдельных ее слоев, скорости сейсмических волн в них и в верхней мантии /поверхности Мохорови-чича/. В то же время выполнены обширные площадные съемки магнитного поля. На основе данных глубоководного бурения и палеомаг-нитных аномалий надежно установлен возраст ложа для большей части океана. На повестку дня поставлен вопрос о всестороннем изучении зависимости структуры коры от возраста дна, что является необходимым условием для понимания общей картины эволюции Земли.
Диссертация посвящена исследованию зависимости сейсмических параметров, характеризующих структуру коры, от возраста дна в Тихом океане. При написании работы в качестве фактического материала использовались данные ГСЗ, полученные в экспедициях Института океанологии АН СССР - 21, 23, 28 и 29-м рейсах нис "Дмитрий Менделєєв", в обработке и интерпретации которых автор принимал непосредственное участие. Были привлечены также многочисленные опубликованные сейсмические материалы, полученные в советских и зарубежных экспедициях» Возраст дна определялся по новейшим картам осей линейных магнитных аномалий и данным глубоководного океанского бурения.
Рядом зарубежных авторов делались попытки сопоставить изменения отдельных сейсмических параметров с возрастом дна. По данным сейсмических исследований, с использованием радиобуев, выполненных по единой методике в Іамонтской геологической обсерватории /США/ на разновозрастных участках дна Тихого океана обнаружена зависимость от возраста структуры верхней части коры /слой 2А/. Мощность этого слоя убывает, а скорость сейсмических волн на поверхности фундамента увеличивается в возрастном интервале 0-20 млн. лет, где слой 2А постепенно сменяется слоем 2В. В ряде работ была отмечена тенденция к увеличению мощности коры и скорости сейсмических волн в верхней мантии при удалении от оси спрединга. Однако, выводы разных авторов о изменении сейсмических параметров с возрастом довольно противоречивы, что может быть объяснено следующими причинами. I/ Во многих работах обобщения делались по малому количеству данных. Так, ни в одной из работ не использовались материалы, полученные в советских экспедициях. 2/ Строение земной коры в океане связано с различными тектоническими структурами. Однако, во многих работах, где изучались связи строения коры с возрастом, совместно использовались профили, расположенные в пределах различных тектонических структур - на поднятиях, в глубоководных котловинах и впадинах окраинных морей, вблизи вулканических хребтов, в переходных зонах. З/ В ряде случаев обобщались данные по нескольким океанам одновременно, хотя каждый из них имеет свою историю эволюции. В подавляющем большинстве случаев не было проведено оценки значимости полученных результатов.
Отметим еще ряд факторов, затрудняющих исследование по проблеме. I/ Данные ГСЗ, использованные при анализе, не являются равноточными. Работы велись по различным вариантам методик, при разных системах наблюдений, с различной детальностью. Это обуславливает значительную неоднородность сейсмического материа- ла. 2/ Существенной помехой являются ошибки, возникающие при определении мощностей и скоростей сейсмических волн. Как правило эти ошибки связаны с несовершенством методики наблюдений. 3/ Значительно осложняется анализ закономерностей изменения структуры коры наличием локальных вариаций сейсмических параметров, выявленных при детальных исследованиях.
Перечисленные выше обстоятельства обусловили подход к изучению проблемы. Собранные автором многочисленные данные ГСЗ, полученные в советских и зарубежных экспедициях, позволили рассмотреть отдельно и получить статистически значимые выводы для восточной и западной части Тихого океана, каждая из которых имеет свой структурный план, возраст, историю геологического развития. Наряду с общей тенденцией увеличения мощности коры и скорости волн в верхней мантии с возрастом, которая уже отмечалась рядом авторов, были выявлены более тонкие изменения в структуре коры, связанные с важнейшими геологическими процессами. Для оценки достоверности полученных результатов использовался аппарат множественной корреляции и регрессионный анализ. По данным детальных сейсмических работ на коре разного возраста, выявлены и сопоставлены локальные вариации в структуре коры в пределах небольших участков дна - полигонов ГСЗ. Прозедена оценка влияния методических ошибок, возникающих при ГСЗ, и местных вариаций в структуре коры на полученные результаты.
Диссертация состоит из четырех глав. В первой главе дается обзор геолого-физической изученности дна Тихого океана. Первый раздел главы посвящен истории работ методом ГСЗ. В хронологическом порядке перечислены экспедиции, изучавшие строение земной коры, дано краткое описание методики и результатов работ. Во втором разделе приводятся сведения о возрасте дна по данным глубоководного бурения и палеомагнитным аномалиям, отмечена сложная история тектонического развития Тихого океана, что отразилось в наиболее многоплановой по сравнению с другими океанами структуре магнитного поля. Третий раздел первой главы посвящен обзору литературы по теме исследования. Здесь освещается степень разработанности данной темы, дается изложение того нового, что вносится автором в исследование проблемы.
Во второй главе диссертации излагаются результаты изучения структуры коры и ее изменения с возрастом для восточной части Тихого океана. Этот регион наиболее перспективен в отношении изучения связи структуры коры с возрастом. Он наиболее детально изучен методом ГСЗ, занимает большую часть ложа океана и представлен преимущественно тектонически однородными структурами - глубоководными котловинами и сопряженными с ними склонами спрединговых хребтов. Здесь по данным бурения и палеомагнитным аномалиям наиболее полно определен возраст дна, который изменяется в широких пределах: от современного до нижнемелового. Выполнен анализ волновых полей для участков дна разного возраста. По результатам детальных полигонных исследований на разновозрастных участках литосферы сравниваются локальные вариации в структуре коры с изменениями, закономерно связанными с возрастом .
В третьей главе приводятся результаты изучения латеральной неоднородности коры для западной части океана. Проведен анализ волновых полей для различных тектонических структур атого региона. Построены карты мощностей основных слоев земной коры Северо-Западной котловины.
Четвертая глава посвящена анализу результатов изучения зависимостей сейсмических параметров коры от возраста дна. Рас- смотрены возможные причины, вызывающие изменения структуры коры с возрастом. Проведено сопоставление полученных результатов с важнейшими событиями геологического развития литосферы Тихого океана и с данными по континентальному тектогенезу.
Обзор исследований по методу ГСЗ
Работы методом глубинного сейсмического зондирования /ГСЗ/ были начаты в Тихом океане более тридцати лет назад. Первые результаты по глубинному строению земной коры получены здесь в экспедиции "Мид-Пасифик", организованной Скрипсовским институтом океанографии в 1950 году (86). Работы велись с использованием двух кораблей: "EPSER 857" - для производства взрывов и "Горизонт" - для приема сейсмических сигналов. Было выполнено 16 профилей на разновозрастных участках дна в Северо-Восточной и Центральной котловинах. В I952-I95S гг. эти работы были продолжены в экспедиции "Каприкорн", организованной тем же институтом на судах "Хорайзн" и "Спенсер Ф. Бёрд". ГСЗ велось на Восточно-Тихоокеанском поднятии /ВТП/ и в котловинах: Северо-Восточной, Восточно-Марианской, Меланезийской, Центральной. По результатам этих работ было построено 26 разрезов земной коры (31, 86).
Результаты сейсмических исследований, полученные в экспедициях "Мид-Пасифик" и "Каприкорн" позволили разделить земную кору в пределах ложа Тихого океана по скоростному признаку на три слоя. Этот вывод в целом был подтвержден всеми последующими экспедициями. Первый слой мощностью 0,2-0,6 км и средней принятой скоростью 2,15 км/с отвечает осадочному чехлу. На всех профилях этих экспедиций под ним выделен "второй" слой со скоростью 4,5-5,7 км/с и мощностью 0,5-2,5 км. "Третий" слой мощностью 4-6 км характеризуется довольно постоянной скоростью сейсмических волн 6,7-6, 9 км/с. На поверхности Мохоровичича для большинства станций скорость сейсмических волн составила 8,1-8,3 км/с. Наименьшие значения скорости наблюдались в районе ВТП - 7,6 км/с.
Работы по ГСБ были продолжены в экспедициях Кембриджского университета и Национального института океанографии в Лондоне на судне "Челленджер" в 1954 г. В Тихом океане было выполнено 16 профилей (54). Районы работ - поднятие Хуан де Фука, котловины: Северо-Западная, Филшшнская, Каролинская. В этой экспедиции впервые для передачи сейсмического сигнала использовались сейсмоакустические радиобуи. Дальность передачи сигнала в таком случае ограничена, поэтому лишь на двух профилях были зарегистрированы волны от поверхности Мохоровичича.
В 1956-1957 гг. Скрипсовским океанографическим институтом были проведены экспедиции "Маклак" и "Чинук" в Северо-Восточной котловине, где было подучено 26 разрезов земной коры (90, 93). Район экспедиций "Маклак" располагался в восточной части Северо-Восточной котловины в области распространения коры с возрастом 10-60 млн. лет. Экспедиция "Чинук" работала в западной части котловины, где возраст коры верхнемеловой /65-100 млн. лет/. Мощность коры по данным этой экспедиции изменяется от 4,1 до 7,1 км /Ддя района Гавайских островов отмечены более высокие значения мощности/. Существенно варьируют в пределах котловины значения скорости волн на границе Мохо: от 7,9 до 8,6 км/с.
Основные черты строения земной коры
Ниже будет рассмотрено строение земной коры обширного района Тихого океана, ограниченного с востока подводными окраинами Северо- и Южноамериканского континентов, с запада - поднятиями океанского ложа: Северо-Западным хребтом, Гавайским валом, валом Дайн и желобом Кермадек, с севера - Алеутским глубоководным желобом, с юга - разломом Элтанин. К сожалению, в литературе практически нет сведений о структуре коры южнее разлома Элтанин.
Анализ данных был выполнен совместно для тектонически однородных структур этой акватории - глубоководных котловин /Северо-Восточной, Южной, Чилийской, Перуанской, Гватемальской/ и сопряженных с ними участков Южно-Тихоокеанского поднятия, ВТП, хребтов Горда и Хуан де Фука. Сейсмическая изученность региона показана на рис. 2.1.
Несмотря на большой объем работ, выполненный в восточной части океана, сейсмические профили в пространственном отношении распределены довольно неравномерно. Наибольшей степенью изученности характеризуется северо-восточная часть ложа вблизи Севе-ро-Американского континента. Наиболее слабо изучена южная часть региона: ЮТП, Чилийская и Южная котловины. Почти нет сведений о строении дна котловины Беллинсгаузена. Значительное количество разрезов получено в экваториальной части океана, однако, работы велись здесь в основном с применением радиобуев и поэтому на большом числе профилей здесь не получено записей сейсмических волн от границы Мохоровичича. Некоторые районы очень подробно изучены сейсмическими методами. Например, на небольшом участке дна в Гватемальской котловине было выполнено 40 профилей ГСЗ при детальных исследованиях. В то же время значительное пространство ложа между экватором и 25 ю.ш. и между 90 в.д. и 110 в.д. практически не было охвачено сейсмическими работами.
Неравномерно профили ГСЗ расположены и на возрастной шкале /рис. 2.2/. На молодой коре возраста 0-40 млн. лет находится почти в два раза больше профилей, чем на коре более позднего времени 40-100 млн. лет. Это относится как ко всем профилям ГСЗ, так и к тем, где получен разрез коры на полную мощность.
Основные черты строения земной коры Каролинская котловина и вал Капингамаранги Северо-Западная котловина и возвышенность Шатского
Рассматриваемая акватория занимает северо-западный квадрант Тихого океана, обрамлением которого на северо-западе служат складчатые горные сооружения Курило-Камчатской островной дуги и сопряженный с ней глубоководный желоб, на западе - Японский и Идзу-Бонинский желоба, на юге - поднятие гор Маркус-Гэйк, на востоке - Северо-Западный хребет. Основными тектоническими структурами в пределах региона являются Северо-Западная котловина и возвышенность Шатского.
Возвышенность Шатского представляет собой крупное сводовое поднятие в центральной части Северо-Западной котловины, вытянутое в северо-восточном направлении. Протяженность возвышенности достигает 900 миль, а ширина - 300 миль С 33). Мощность осадков в ее сводовой части достигает I км и утоняется до первых сотен метров в направлении к склонам.
Структура коры возвышенности Шатского к настоящему времени изучена по двум сводным профилям /рис. 3,9/. На южном массиве возвышенности и примыкающем к нему с запада участке котловины расположен профиль японско-американской экспедиции, состоящей. из 12 станций (44).
Второй профиль, выполненный в 21-м и 23-м рейсах нис "Дмитрий Менделеев" пересекает Северо-Западную котловину и возвышенность Шатского (21, 23). Результаты ГСЗ по материалам этих рейсов представлены в работах (27, 29). Ниже приведем описание волнового поля на примере записей станции ДС-ІІ, расположенной в центральной части возвышенности Шатского.
Станция ДС-ІІ расположена в условиях ровного рельефа на глубине 4,8 км. Глубина океана по профилю плавно уменьшается в северо-западном направлении до 4,5 км. Дальность регистрации составляет 90 км.
По записям ДС-ІІ были выделены в первых вступлениях следующие основные волны: Р,к ,Р , Р , , Pi /рис. 3.10/. Сей-смическая волна Р, с V = 4,3-4,5 км/с выходит в первые вступления на расстоянии 6 км, на расстоянии 10 км ее сменяет волна р с VK= 6,0 км/с /СЗ ветвь годографа/ и 5,2 км/с /Ш ветвь/. В северо-западном направлении в интервале 20-60 км следится волна с VK= 8,0 км/с, в ЮВ направлении на расстоянии 20-30 км - волна с V - 5,6 км/с. Для юго-восточной ветви отмечается значительное затухание сигнала и выделение волн в первых вступлениях затруднено до 35 км, после этого на расстоянии 35-45 км следится волна с V =7,2 км/с. На северо-восточном участке с расстояния 60 км в первые вступления выходят волны с высокими кажущимися скоростями - 9,6 км/с и 11,0 км/с /интервалы прослеживания 60-90 км/.
Генетический и эволюционный характер изменения структуры коры
В главе 2 было показано, что зависимости мощности коры, "третьего" слоя, скорости волн в коре и верхней мантии от возраста испытывают четыре синфазные периодические инверсии. Каждая из выделенных временных зон 0-20, 20-40, 40-65, 65-100 млн. лет отмечена своим характером связей этих параметров с возрастом. Циклические изменения мощности коры, скорости волн в коре и верхней мантии происходят под знаком общего возрастания этих параметров с возрастом. Такое возрастание заметно, в основном, для первых 30 млн. лет, далее оно выражено слабее. Скорость сейсмических волн на поверхности акустического фундамента увеличивается в интервале 0-20 млн. лет, а затем монотонно убывает вплоть до нижнемелового времени.
Проанализировав выявленные изменения сейсмических параметров земной коры и верхней мантии в Тихом океане от возраста дна, можно высказать предположение, что эти изменения определяются двумя группами факторов - генетической и эволюционной. К первой группе относятся те факторы, которые действовали во время образования коры и обусловили циклические изменения в мощности коры, "третьего" слоя, скорости сейсмических волн в коре и верхней мантии. Воздействие таких факторов на структуру формирующейся коры должно быть сравнительно кратковременным. Так по данным работы О.Г. Сорохтина (30,) время развития мантийных протрузий в зависимости от скорости раздвижения плит колеблется от 4»Ю5 до 8«Ю5 лет.
Ко второй группе факторов /эволюционной/ относятся те факторы, которые воздействуют на кору в течение всего времени ее существования - подводное выветривание, уплотнение, метаморфизм. Подводное выветривание, связанное с проникновением морской воды в верхние слои базальта, воздействует на верхи коры, вызывает снижение с возрастом скорости волн на поверхности фундамента. Этот вывод, полученный по данным ГСЗ, согласуется с результатами изучения изменения свойств базальтов ложа Тихого океана в зависимости от возраста по материалам глубоководного бурения. Р. Харт (56) показал, что содержание воды в базальтах увеличивается с 1% для современной коры до 3,5$ для коры возраста 100 млн. лет. Это вызывает снижение скорости звука на величину от 0,018 до 0,022 км/с для каждых 10 лет. Процессы уплотнения, залечивания трещин воздействуют на всю толщу коры и приводят к общему увеличению скорости волн в коре и верхней мантии, наблюдаемому в основном первые 20-30 млн. лет.
Таким образом, наличие цикличности в зависимости сейсмических параметров от возраста литосферы свидетельствует о том, что кора и верхняя мантия, наряду с эволюционными изменениями, сохраняют в себе "память" о процессах, действовавших во время их образования.
