Введение к работе
Актуальность научной проблемы в настоящее время можно рассматривать в рамках приоритетных направлений развития мировой научной мысли, стимулирующих развитие фундаментальной и прикладной науки. Одной из важнейших проблем в области наук о Земле является проблема всестороннего комплексного изучения строения и эволюции океанической литосферы от ее образования в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов (СОХ) до формирования морфоструктурного плана современных океанов.
За последние 20 лет наиболее значительные научные открытия в океане были сделаны в рифтовых зонах СОХ . Они связаны с обнаружением здесь активной тектоно-магматической и гидротермальной деятельности. Именно в осевых частях рифтовых зон была обнаружена интенсивная гидротермальная циркуляция, проявляющаяся на поверхности дна в виде таких экзотических образований как "черные" и "белые курильщики", с которыми связаны крупные месторождения глубоководных полиметаллических сульфидов (ГПС). Высокоразрешающие методы, использующие многолучевые гидролокаторы Си Бим, сонары бокового обзора Глория, Марк- 1 , Марк-2, и исследования на подводных обитаемых аппаратах (ПОА) позволили получить детальные батиметрические и структурные карты рифтовых зон на участках Восточно-Тихоокеанского поднятия (ВТП), Срединно-Атлантического хребта (САХ) и других спрединговых хребтах. Набортные геофизические методы: гравиметрические, магнитометрические, сейсмические и геотермические - дали сведения о глубинной структуре литосферы рифтовых зон и трансформных разломов (ТР). Имеющаяся в настоящее время геолого-геофизическая информация свидетельствует о большом разнообразии структурных обстановок в рифтовых зонах океана, обусловленных прежде всего различными скоростями спрединга, глубинным строением, перестройками оси срединного хребта и т.д.
Несмотря на важные открытия, сделанные в рифтовых зонах океана, в настоящее время детальными исследованиями покрыта лишь небольшая часть длины всей глобальной системы рифтовых зон океана и, к сожалению, имеющаяся геолого-геофизическая информация недостаточна для выявления закономерностей локализации рудообразующих гидротермальных систем и приуроченности их к тем или иным формам рельефа дна осевых зон СОХ. К тому же пока трудно обосновать время появления и продолжительность действия гидротермальных источников. Знание таких закономерностей было бы полезным при определении стратегии дорогостоящих работ при поиске полей ГПС в осевых зонах СОХ. Поэтому существенную роль в исследовании геологической структуры литосферы рифтовых зон и в выявлении глубинных процессов, определяющих ее, играют геодинамические модели термического режима, напряженного состояния литосферы и гидротермальной конвекции. Сложность процессов диктует необходимость использования методов численного и физического моделирования для изучения термического и механического состояния рифтовых зон. Комплексный подход позволит подойти к решению одной из фундаментальных проблем современной геодинамики: пониманию процессов тектоники, дифференциации вещества и магмообразования в рифтовых зонах. О важности этой проблемы свидетельствует и тот факт, что ей посвящены крупнейшие современные международные проекты, объединяющие усилия ученых ведущих институтов Америки и Европы.
Рассматривая геодинамику современного океанического рифтогенеза, будем понимать под ней, следуя определению В.П.Гаврилова и В.Е.Хаина - "науку о физико-химических процессах, протекающих в недрах Земли и изменяющих ее геологическую структуру и рельеф". Это определение позволяет акцентировать внимание на исследовании глубинных процессов, контролирующих строение рифтовых зон , управляющих формированием их современного морфоструктурного плана и находящих отражение в аномальных геофизических полях. Однако, геодинамика современных рифтовых зон океанической литосферы - это всего лишь часть, хотя и очень важная, более общей проблемы - эволюционной геодинамики. В отличие от палеогеодинамики, рассматривающей глубинные процессы в геологическом прошлом, эволюционная геодинамика включает в сферу своих исследований изучение эволюции глубинных процессов и , как следствие,изменение геологической структуры и рельефа. Оба направления геодинамической науки находятся в начальной стадии своего развития. В глобальном плане примером палеогеодинамики являются палеогеодинамические реконструкции положения литосферных плит,выполненные Л.П.Зоненшайном, Л.А.Савостиным и А.М.Городницким еще много лет назад, а примером эволюционной или исторической (термин предложен В.Е.Хаиным) геодинамики может служить монография О.Г.Сорохтина и С.А.Ушакова "Глобальная эволюция Земли". Данная диссертационная работа касается более частных проблем - эволюционное геодинамики океанического рифтинга и формирования палеограниц литосферных плит. Разрешение этих проблем важго для понимания процессов образования океанической коры, ее эволюции, формирования внутриплитного морфоструктурного плана дна океана и размещения в его пределах месторождений полезных ископаемых.
Научное направление работы. Развитие эволюционной геодинамики океанического рифтинга и формирование палеограниц плит океанической литосферы.
Цель работы. На основе геофизических, геологических и геоморфологических данных установить пространственно-временную связь глубинной структуры литосферы и рельфа дна в зонах океанического рифтинга и палеограниц плит.
Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной проблемой, работа логически разделяется на две части. В первой - рассматриваются вопросы, связанные с геодинамикой современных рифтовых зон СОХ, касающиеся структурных неоднородностей и закономерностей тектоно-магматических процессов, ответственных за образование океанической коры и формирование структурного плана океанической литосферы. Вторая часть работы посвящена рассмотрению структуры палеограниц плит.формирование и развитие которых непосредственно связано с процессами в рифтовых зонах СОХ. При этом в работе решались следующие задачи:
1. На основе комплексного анализа геолого-геофизической информации
провести типизацию структурных неоднородностей и разработать целостную
иерархическую систему сегментации рифтовых зон СОХ и выявить ее
геодинамическую природу.
2. Разработать геодинамические модели глубинных процессов,
происходящих в рифтовых зонах СОХ и контролирующих тектоно-
магматический цикл и морфоструктуру этих зон. Установить связь глубинной
структуры и геометрии осевой магматической камеры (ОМК) со скоростью
спрединга, периодичностью тектоно-магматических событий, трещино-
ватостью коры, гидротермальной деятельностью и рельефом осевой зоны.
3. Разработать геодинамическую классификацию палеограниц плит -
шовных зон океанической литосферы.
4. Выявить основные закономерности строения г. эволюции литосферы
палеограниц плит и разработать новые геодинамические модели глубинных
процессов, управляющих их строением и эволюцией. Определить основные
геолого-геофизические реперы-индикаторы, фиксирующие главные этапы
развития каждого типа палеограниц плит и установить для них характер
изменения рельефа дна и геофизических полей со временем.
Материалы, использованные в работе. Цель и задачи диссертации потребовали сбора и анализа обширного геолого-геофизического материала по результатам исследований, проведенных в разных районах Мирового океана и на различных морфотектонических структурах. При этом большая часть данных сосредоточена в опубликованных зарубежных и отечественных работах. В работе использованы картографические материалы, полученные в геолого-геофизических экспедициях, проведенных за рубежом и в нашей стране,в том числе и при участии автора.
Работа выполнена в секторе геодинамики Музея землеведения Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова и суммирует основные научные результаты, полученные автором за последние 15 лет.
Личный научный вклад автора состоит в решении следующих вопросов:
разработке единой иерархической системы сегментации рифтовых зон СОХ и анализе геодинамической природы сегментов различного ранга;
выявлении условий формирования и закономерностей эволюции осевых магматических очагов (в рамках термической модели дискретно-непрерывного спрединга) , анализе их связи со скоростью спрединга, трещиноватостью коры, интенсивностью гидротермальной конвекции, распределением ГПС и рельефом осевой зоны;
разработке классификации палеограниц плит - шовных зон океанической литосферы;
выявлении основных закономерностей строения и эволюции палеограниц плит, создании новых геодинамических моделей глубинной структуры литосферы и анализе ее отражения в рельефе дна и аномальных геофизических полях.
Основные защищаемые положения.
1. Многообразие структурных неоднородностей рифтовых зон СОХ
подчиняется единой иерархической системе сегментации, включающей 6
масштабных уровней от глобального до локального. Каждый уровень
сегментации имеет свою геодинамическую природу, предопределяемую
предыдущим более крупным уровнем и, в свою очередь, влияющую на
последующие более мелкие уровни.
2. Закономерности образования осевой коровой магматической камеры в
рифтовых зонах СОХ со средней и быстрой скоростью раздвижения можно
объяснить в рамках модели дискретно-непрерывного спрединга. Форма,
размеры и длительность существования ОМК зависят от скорости спрединга,
периодичности тектоно-магматического цикла, трещиноватости коры,
интенсивности гидротермальной конвекции. Существует непосредственная
связь между формой, размерами и длительностью существования ОМК с
рельефом дна осевого поднятия и с распределением гидротермальных
сульфидных образований. Существование ОМК для медленно
раздвигающихся хребтов маловероятно.
-
Процессы океанического рифтинга играют ведущую роль в формировании палеограниц плит, для которых впервые разработана общая классификация их типов, объединенных в три основные группы: палеодивергентные, палеотрансформные и палеоконвергентные границы плит.Каждый тип палеограниц плит имеет свою геодинамическую природу и историю развития, обуславливающие особенности строения их литосферы и геолого-геофизических характеристик.
-
Палеодивергентные границы' характеризуются исключительным разнообразием пострифтовых геодинамических режимов. Геодинамический режим, глубинная структура, рельеф дна и аномальные геофизические поля в районе этих границ в значительной степени определяются теплообменом между разновозрастными блоками литосферы.
а) Геофизические модели глубинного строения различных
рифтогенных континентальных окраин свидетельствуют о разнообразии
форм контакта континентальной и океанической литосферы, что
предопределяет положение осадочных бассейнов в окрестности
переходной зоны и находит свое отражение в аномальных геофизических
полях.
б) Формирование и развитие палеодивергентных границ
плит, образованных при перескоке оси спрединга, эволюции тройных
соединений или продвижении новой рифтовой трещины в пределы
старой океанической литосферы, сопровождается существенным
нарушением термической структуры литосферы, изменениями в рельефе
дна, гравитационном, тепловом и магнитном полях.
в) Образование палеодивергентной шовной зоны на месте отмирающего спредингового хребта сопровождается релаксацией осевой магматической камеры, погружением астеносферного поднятия, увеличением толщины литосферы и формированием структуры палеоспредингового хребта. Все эти процессы находят отражениг в рельефе дна и аномальных геофизических полях.
-
При формировании и эволюции палеотрансформных границ плит ведущую роль играют три процесса: унаследованность структурных и глубинных нарушений литосферы при деформациях сдвига (чистого, либо осложненного сжатием или растяжением) на активном участке трансформного разлома, термо-механическое воздействие рифтовой зоны в области ее пересечения с трансформным разломом и латеральный теплообмен между разновозрастными блоками литосферы, контактирующими по разлому.
-
Геодинамическая модель формирования палеосубдукционных границ плит предполагает три стадии эволюции литосферы:
а) пододвигание океанической литосферы в зонах субдукции андийского типа; б) приближение осевой зоны СОХ к глубоководному желобу и прекращаение процесса спрединга и субдукции; в) изоста-тическая и термическая релаксация литосферы с формированием пассивной эписубдукционной континентальной окраины. На каждой из этих стадий преобладают раоные геодинамические процессы, управляющие глубинной структурой литосферы, эндогенным рельефо-образованием и распределением аномальных геофизических полей.
Научная новизна диссертации состоит в том, что на базе теории тектоники литосферных плит разработаны проблемы эволюционной геодинамики океанического рифтинга и формирования палеограниц плит, решена одна из важных задач геодинамики современных рифтовых зон океана об условиях формирования и эволюции осевых магматических очагов и разработаны теоретические положения, совокупность которых можно рассматривать как новое научное направление, объясняющее закономерности строения и эволюции палеограниц плит - шовных зон океанической литосферы.
Практическое значение и реализация результатов. На основе анализа рельефа дна, аномальных геофизических полей и моделирования осевых магматических очагов в рифтовых зонах выявлена тенденция приуроченности ГПС к отдельным морфотектоническим структурам и сделана оценка перспективности этих структур на сульфидное рудообразование. На этом основании разработаны рекомендации для повышения эффективности геолого-разведочных работ на ГПС в современных и палеорифтовых зонах СОХ и решения задач металлогенического районирования.
Модели глубинной структуры литосферы и эволюции палеодивергентных, палеотрансформных и палеосубдукционных пассивных континентальных окраин, полученные на основании анализа геолого-геофизической информации, позволили выявить ряд особенностей в локализации и развитии этих окраин.Для типичных бассейнов проведены оценки благоприятных условий созревания органического вещества (их температурно-временной истории) для выявления глубин нефтегазогенерации.
С 1975 г. по 1983 г. автор, в качестве ведущего исполнителя непрерывно вел совместные работы по темам с ПМГРЭ ПГО "Севморгеология" по изучению переходных зон Арктики и Антарктики в связи с перспективами их нефтегазоносности. В дальнейшем, с 1984 г. по 1990 г., автор проводил исследования с ПМГРЭ и ВНИИОкеангеология по проблемам металлогении Мирового океана и, в частности, сульфидного рудообразования в рифтовых зонах СОХ. Поэтому все рекомендации практического, методического и теоретического характера были своевременно переданы в ПГО "Севморгеология" и реализованы в Полярной морской геолого-разведочной экспедиции и ВНИИОкеангеология.
Апробация диссертации. Основные разделы и отдельные положения работы докладывались автором на Всесоюзном совещании "Геодинамика и полезные ископаемые" (Москва, 1976), на 1 и 2 съездах Советских океанологов (Москва, 1977; Ялта,1982), на Ломоносовских чтениях МГУ (Москва,1979 ), на 6,7,8 Всесоюзных и 9,10 Международных школах по морской геологии (Геленджик, 1984, 1986, 1988, 1990, 1992), на объединенном семинаре геологических институтов Копенгагенского университета (Копенгаген, 1984), на Тихоокеанской школе по морской геологии, геофизике и геохимии (Владивосток, 1987), на Всесоюзном совещании "Геодинамические основы прогнозирования нефтегазоносности недр" (Москва, 1988), на Всесоюзном совещании - XX Пленума Геоморфологической комиссии АН СССР (Владивосток, 1989), на 2 и 3 Международных совещаниях "Тектоника литосферных плит" (Звенигород, 1991; Аксаково ,1993), на Международной научной конференции "Геофизика и современный мир" (Москва, 1993). Диссертант неоднократно выступал с изложением результатов работы на научно-технических Советах ПМГРЭ и секционных Советах ВНИИОкеангеология. Диссертация в целом обсуждалась на Ученом Совете Музея землеведения МГУ и Ученом Совете ВНИИОкеангеология.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 работ, в том числе 4 монографии, три из которых в соавторстве и одна написана лично автором: "Трансформные разломы океанической литосферы".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух частей, включающих 9 глав, и заключения. Она содержите/ стр. текста, fdi рисунков, t\? таблиц, список литературы из 55ь наименований.