Исследование зависимости структуры земной коры в Тихом океане от возраста дна

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 дагя 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 Менделеев», 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 исследовании с использованием радиобуев, выполненных по единой методике в Ллмонтской 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 2 В. 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. 3/ 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 материала. 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 дая 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 воарастом, 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. Проредена 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. Расемотрены 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение приведем основные результаты диссертационной работы.

Рассмотрение строения земной коры в пределах крупных областей ложа Тихого океана — его восточной и западной частейпозволило выявить ряд закономерностей, связанных с латеральными крупномасштабными изменениями в структуре коры.

I. Для обширной тектонически однородной восточной части океана выявлена существенная зависимость сейсмических параметров, характеризующих структуру коры от возраста дна. Наряду с общей тенденцией увеличения мощности коры и скорости волн в верхней мантии до 30−40 млн. лет, которая уже отмечалась рядом исследователей, впервые обнаружена цикличность в изменении мощности коры, «третьего» слоя, скорости волн в коре и верхней мантии. По знаку корреляционных связей этих параметров с возрастом литосферу Тихого океана вплоть до нижнемелового возраста можно разделить на четыре возрастные зоны 0−20, 20−40, 40−65, 65−100 млн. лет. Параметры Нк >/к, /м> Н3, V*, испытывают синфазные периодические инверсии при переходе от зоны к зоне.

Оценка значимости коэффициентов регрессии и корреляции в каждой зоне показала, что наибольшей степенью связи с возрастом отмечены обобщенные параметры — мощность коры и средневзвешенное значение скорости волн в коре, скорость волн в верхней мантии и мощность «третьего» слоя. Скорость волн в «третьем», во «втором» слоях имеют тот же характер изменения, что и выше названные параметры, но связь их с возрастом гораздо слабее.

Не обнаружено зависимости мощности «второго» слоя от возраста дна. Этот слой является наиболее изменчивым в структуре коры как по мощности, так и по дисперсии скоростей.

Скорость сейсмических волн на поверхности фундамента возрастает в интервале 0−20 млн. лет и затем монотонно убывает до 100 млн. лет.

По результатам детальных сейсмических работ показано, что локальные неоднородности коры в пределах небольших разновозрастных участков дна значительно меньше изменений сейсмических параметров, закономерно связанных с возрастом.

П. Не выявлено зависимости структуры коры от возраста для Каролинской котловины и сопредельных с ней участков океанского дна. Малое количество профилей, характер их расположения /большая часть их находится на одновозрастных участках дна/ не позволила провести уверенное сопоставление структуры коры с возрастом дна. Повышенные значения мощности коры и отдельных ее слоев связаны с поднятиями изученной области ложа — валами Заурипик и Капингамаранги.

Не обнаружено зависимости структуры коры от возраста для древнейшей, Северо-Западной котловины. Как и для Каролинской котловины большинство профилей ГСЗ в Северо-Западной котловине локализованы в узком возрастном диапазоне /122−145 млн. лет/.

На основе обобщения всех имеющихся данных и использования оригинальных материалов, полученных в экспедициях ИОАН, были впервые составлены карты мощностей «второго», «третьего» слоев для акватории, занимающей часть северо-западной плиты Тихого океана, ограниченной с северо-запада Курило-Камчатским желобом, с аапада — Японским и Идзу-Бонинским желобами, с юга — горами Маркус-Неккер, с запада — Императорскими горами. Показано, что в пределах региона существует ярко выраженная тектоническая зональность в распределении мощности коры и отдельных ее слоев, связанная с различными тектоническими структурами — возвышенностью Шатского и Северо-Западаой котловиной. Максимальные значения мощности наблюдаются на возвышенности Шатского, минимальные — на участке дна Северо-Западной котловины между возвышенностью и системой глубоководных желобов, ограничивающих котловину с востока.

Таким образом, для западной части Тихого океана не обнаружено зависимости структуры коры от возраста. Это объясняется в первую очередь тектонической раздробленностью региона. Профили, расположенные на участках котловин вне тектонического влияния смежных поднятий ложа, очень немногочисленны и локализованы в узких возрастных интервалах. Латеральные изменения структуры коры в западной части океана связаны прежде всего с различными тектоническими структурами.

Щ. На основе анализа выявленных для большей части ложа Тихого океана зависимостей сейсмических параметров от возраста литосферы был сделан вывод, что эти изменения определяются двумя группами факторов — генетической и эволюционной. К первой группе относятся те факторы, которые действовали во время образования коры и обуслов, яле ' циклические изменения в мощности коры, скорости волн в коре и верхах мантии. Воздействие таких факторов на структуру формирующейся коры было сравнительно кратковременным. Ко второй группе факторов /эволюционной/ относятся те факторы, которые действовали на кору в течение всего времени ее с-ществования — подводное" выветривание", уплотнение, метаморфизм и др. Подводное выветривание, воздействуя на верхи коры, вызывает снижение с возрастом скорости волн на поверхности фундамента. Процессы уплотнения приводят к увеличению скорости волн в коре и верхней мантии, наиболее выраженному до.

30−40 млн. лет.

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.

IV. Сравнение полученного циклического изменения сейсмических параметров с изменением скорости спрединга для литосферы Тихого океана выявило прямую связь этих процессов. В распределении скорости спрединга во времени также отмечены закономерности, одновременные для всех плит акватории, а именно — наличие циклических изменений скорости спрединга с периодом около 40 млн. лет. Цикличность в изменении скорости раздвижения плит соответствует цикличности в изменении сейсмических параметров коры и верхней мантии, при этом повышенные значения скорости спрединга отвечают во времени минимальным значениям мощности коры, скорости волн в коре и верхней мантии.

V. Проведено сопоставление изменения структуры коры с важнейшими геологическими событиями в истории развития тихоокеанской литосферы.

Изменения сейсмических параметров коры и верхов мантии связаны, по всей видимости, с изменениями теплового режима. При увеличении теплового потока следует ожидать активизацию магматической деятельности. Действительно, анализ встречаемости пеп-ловых прослоев в осадочном чехле Тихого океана, характеризующих степень проявления внутриокеанского магматизма имеет квазипериодический характер и хорошо согласуется с циклическими изменениями в структуре коры. Выявленная цикличность в изменении сейсмических параметров коры и верхней мантии согласуется с эпохами отмирания одних и появления новых осей спрединга.

У1. Показано, что активизация тектонических движений на континентах соответствует по времени изменению структуры коры с возрастом в океане, что позволяет говорить о едином тектоническом режиме развития континентальной и океанской литосферы.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах автора:

I/ 0 зависимости некоторых геолого-физических параметров коры и верхней мантии в Тихом океане от возраста литосферы. -М., 1983. — 18с. — Деп. в ВИНИТИ 21 июля 1983, В 4117−83.

2/ 0 зависимости структуры коры вала Капингамаранги и Каролинской котловины от возраста литосферы. — М., 1983. — 24с. -Деп. в ВИНИТИ 21 июля 1983, 4116−83.

3/ 0 зависимости сейсмических параметров коры и верхов мантии в Тихом океане от возраста литосферы. — Доклады АН СССР, 1984, т. 275, № 3, с. 704−707 / в соавторстве с Ю.П. Непрочно-вым/.

4/ Строение земной коры на разновозрастных участках литосферы в Тихом океане по данным детальных исследований в 29-м рейсе нис «Дмитрий Менделеев». — В кн.: Геология океанов и морей, т. 2. М., ИОАН СССР, 1984, с. 200−201 /в соавторстве с Ю. П. Непрочновым, В.В. Седовым/.

5/ 0 зависимости структуры коры в Тихом океане от возраста литосферы /по данным ГСЗ/. — В кн.: Геология океанов и морей, т. 2. М., ИОАН СССР, 1984, с. 190−191.

6/ Строение земной коры в районе подводной горы Дмитрия Менделеева, и Восточно-Каролинской котловине. — Океанология, 1984, й 3, с. 493−497 /в соавторстве с Ю. П. Непрочновым, В.В.Седовым/.

7/ 0 зависимости структуры коры востока Тихого океана от ее возраста. — Океанология, 1984, II 2, с. 295−301.

8/ Карты мощностей слоев земной, коры Северо-Западной котловины и возвышенности Шатского. — В кн.: Геология океанов и морей, т. 2. М., ИОАН СССР, 1984, с. 198−199 /в соавторстве с Ю.П. Непрочновым/.

Работа обсуждалась на коллокивумах Лаборатории сейсмических исследований и Отдела тектоники литосферных плит Института океанологии АН СССР. Основные результаты докладывались на Шестой Всесоюзной школе по морской геологии /1984 г./.

Автор искренне признателен своему научному руководителю проф. Ю. П. Непрочнову за его постоянное внимание, помощь в обработке фактических материалов ГСЗ, советы и плодотворные идеи по теме исследования. Работа базируется на большом фактическом материале, в получении которого участвовали многие сотрудники Лаборатории сейсмических исследований — В. В. Седов, A.A. По-крышкин, Б. Н. Гринько, Б. В. Холопов, H.H. Кичин, A.A. Островский, A.A. Буровкин и др. Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность И. П. Косминской за денные советы и критические замечания, которыми он руководствовался при написании диссертационной работы. В процессе работы над диссертацией большое содействие в обработке сейсмических данных было оказано В. В. Седовым. Весьма полезными были консультации с Л.Р. Мерк-линым и В. Е. Милановским. Автор чрезвычайно признателен С. Л. Соловьеву, О. Г. Сорохтину, Л. П. Зоненшайну, Н. Я Кунину, Л.И. Лоб-ковскому, высказавшим целый ряд ценных замечаний при обсуждении работы.