ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 2, с. 278-282
МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК 551.465
ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВЫШЕННОСТИ
ШАТСКОГО (ТИХИЙ ОКЕАН)
© 2004 г. В. Д. Котелкин, Л. И. Лобковский, Е. В. Вержбицкий, М. В. Кононов
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва Поступила в редакцию 14.02.2002 г., после доработки 19.03.2003 г.
Анализ данных теплового потока и других геолого-геофизических данных северо-западной части Тихого океана указывает, что возвышенность Шатского возникла вблизи оси спрединга как самостоятельная структура в соответствии с кристаллизационной моделью формирования океанического дна. Расчеты кинематики позволяют сделать вывод о формировании возвышенности Шатского в районе точки тройного сочленения плит. Выполнено численное моделирование генезиса возвышенности Шатского в рамках термохимической модели. Моделирование показывает, что легкое нижнемантийное вещество, поднявшись на поверхность, может являться реальным магматическим источником формирования структуры возвышенности Шатского.
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее крупными геологическими структурами северо-западной части Тихого океана являются возвышенности Шатского и Хесса, расположенные симметрично относительно Императорского хребта (рис. 1а). Возвышенность Шатского находится в районе широкого развития линейных магнитных аномалий, в то время как возвышенность Хесса расположена в зоне спокойного магнитного поля [14, 11]. Возвышенности Шатского и Хесса имеют подобную друг другу удлиненную форму и гравиметрически уравновешены. Кроме того, возвышенности характеризуются аномальным увеличением мощности коры (12-20 км) по сравнению с океанической корой окружающих котловин (~7 км). В процессе формирования обе структуры испытали погружение фундамента на 2000-3000 м. Все это позволяет предполагать, что возвышенности Шатского и Хесса имеют общий генезис [7].
Анализ геолого-геофизических данных северо-западной части Тихого океана указывает, что образование возвышенности Шатского обусловлено геодинамическими процессами, которые действовали в поздней юре-раннем мелу в районе точки тройного сочленения литосферных плит: Тихоокеанской, Фараллон и Изанаги. Скорость излияния базальтов и их распределение по площади при формировании этой возвышенности аналогичны выплавке траппо-базальтов на плато Декан (Индийский континент). Существует ряд гипотез генезиса возвышенности, включая гипотезу выплавки траппо-базальтов континентального типа, базальтов океанических плато, магматизма асейсмичных хребтов [6, 14] . Однако, глубинный механизм образования возвышенности Шатского до настоящего времени остается неясным.
С целью изучения генезиса возвышенности Шатского был выполнен анализ геотермических и кинематических данных в районе возвышенности, и осуществлено численное моделирование возможного механизма образования этой структуры.
ГЕОТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ И КИНЕМАТИКА ПЛИТ РАЙОНА ВОЗВЫШЕННОСТИ ШАТСКОГО
На рис. 16 дано распределение теплового потока на возвышенности Шатского. Рассчитанное фоновое значение теплового потока возвышенности составляет 41 ± 9 мВт/м2. Это значение очень близко геотермическому фону примыкающих к возвышенности районов Северо-Западной котловины (43 ± 3 мВт/м2).
Учитывая изостатическую уравновешенность возвышенности Шатского была выполнена по геотермическим данным оценка возраста данной структуры. Для этого использовалось соотношение, которое является решением уравнения теплопроводности для геотермической (кристаллизационной) модели движущейся и остывающей литосферы плиты [8]:
А Т
Я = -¡=0: = 480/Тг, (1)
где я - мВт/м2, тепловой поток; А = 3.2 х 103 мВт/м К, коэффициент теплопроводности вещества литосферы; Та = 1350°С - температура астеносферы; а = 7.8 х 107 м2/с, коэффициент температуропроводности вещества мантии; г - млн. лет, возраст литосферы.
Подставляя в формулу (1) фоновое значение теплового потока возвышенности Шатского, по-
Рис. 1. (а) - Основные структуры северо-западной части Тихого океана;
(б) - тепловой поток и линейные магнитные аномалии в районе возвышенности Шатского.
1 - изобаты, в км; 2 - линейные магнитные аномалии, по [14]; 3 - трансформные разломы; 4 - тепловые потоки (мВт/м2), по [1].
лучим средний возраст этой структуры, равный 138 млн. лет.
Средний возраст возвышенности Шатского, найденный по имеющимся здесь мезозойским линейным магнитным аномалиям М20-М10 (153132 млн. лет) [14], примерно равен 142.5 млн. лет, что хорошо согласуется (с точностью ~3%) с возрастом, определенным по геотермическим данным.
Оценку мощности литосферы возвышенности Шатского можно выполнить по формуле, устанавливающей связь между временем остывания океанической литосферы и ее мощностью [13]:
Н1 = (Г,/Га )4%аг = 7.8/*, (2)
здесь Н1 - км, мощность литосферы; 7уГа = = 1200/1350°С, отношение температурного солиду-са и ликвидуса базальтов мантии; а = 7.8 х 10т1 см2/с, коэффициент мантии; * - млн. лет, возраст литосферы.
Подставляя в соотношение (2) полученный по геотермическим данным возраст возвышенности Шатского - 138 млн. лет, найдем мощность ее литосферы, равный 92 км. Соответственно, мощность литосферы, найденная из соотношения (2)
для среднего возраста возвышенности (142.5 млн. лет) и Северо-Западной котловины (125 млн. лет) по магнитным данным составляет 93 и 87 км. Следовательно, близкие значения мощности литосферы возвышенности и примыкающей глубоководной котловины (~90 км) позволяют сделать следующее заключение [1]. Образование возвышенности Шатского происходило вблизи оси спрединга, а ее генезис соответствует геотермической модели формирования океанического дна. Возвышенность формировалась как самостоятельная структура, мощность литосферы которой соответствует установленному по геофизическим данным возрасту, несмотря на аномальное строение коры. В районах всего обрамления возвышенности Шатского выделяются мезозойские магнитные аномалии Гавайской и Японской групп [12]. Многие линейные аномалии этих групп (М20-М4 (146127 млн. лет)) прослеживаются в нижней части возвышенности между вулканическими массивами и образуют коленообразный изгиб. Такой изгиб аномалий указывает на положение в пределах возвышенности в прошлом точки тройного сочленения плит Тихоокеанской-Изанаги-Фарал-лон. Эта точка имела конфигурацию типа хребет-хребет-хребет и перемещалась на северо-
Эйлеровы полюса вращения Тихоокеанской плиты в абсолютной системе координат (относительно системы "горячих точек"), по [9]
Возрастной интервал, млн. лет Координаты полюса вращения Угол поворота*, град
с.ш. в.д.
0-5 57.0 -75.0 4.7
5-28 69.0 -71.0 18.2
28-43 69.0 -71.0 10.4
43-74 22.0 -91.0 20.2
74-100 48.0 -61.0 24.0
100-115 68.0 162.0 8.0
115-135 75.0 -87.0 10.0
135-145 24.0 162.0 7.0
* Положительным считается вращение против часовой стрелки.
восток вдоль оси поднятия в период 146-127 млн. лет. Черты рельефа поднятия параллельны магнитным аномалиям либо отрезкам трансформных разломов их смещающих [12]. В структуре возвышенности отмечаются единичные молодые (очевидно кайнозойского возраста) вулканические постройки [14]. Однако, в целом они не нарушают древнюю позднеюрскую-раннемеловую структуру поднятия Шатского. Все это говорит в пользу того, что возвышенность формировалась как вулканическое плато в районе точки тройного сочленения плит. В этом она похожа на современную Исландию [2], только с более сложной, тройственной, конфигурацией срединно-океани-ческого хребта.
Нами выполнены расчеты движений океанских плит Тихого океана, как современной Тихоокеанской так и древних, ныне полностью исчезнувших в зонах субдукции, плит Изанаги и Фараллон, в абсолютной системе координат (относительно "горячих точек") [9, 3]. Параметры вращения Тихоокеанской плиты для интервала времени 0-145 млн. лет приведены в таблице.
Согласно этим данным в прошлом в период своего формирования возвышенность Шатского находилась в современных координатах в районе 0°-10° ю.ш., 140°-145° з.д. в районе Маркизских островов.
Таким образом, анализ данных теплового потока и кинематики указывает, что возвышенность Шатского была сформирована вблизи оси спрединга в районе точки тройного сочленения плит как самостоятельная структура, а ее генезис обусловлен глубинным мантийным источником.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВЫШЕННОСТИ ШАТСКОГО
Предлагаемое ниже объяснение причины образования возвышенности Шатского естественным образом вытекает из результатов моделирования глобальной мантийной конвекции в рамках термоконцентрационной (термохимической) модели [4, 5], с учетом эндотермического фазового перехода на границе между верхней и нижней мантией. С позиции этой модели структура возвышенности образовалась из легкого нижнемантийного вещества, достигшего верхней мантии и растекающегося вдоль ее верхней границы. При этом динамика легкого вещества с одной стороны связана с глобальной конвекцией, а с другой стороны является в значительной степени самодинамикой и в свою очередь влияет на глобальную динамику. Численное моделирование, выполненное различными авторами [4, 5, 10, 16, 15], показало, что глобальная конвекция, происходящая при больших числах Релея и барьерном характере фазового перехода на глубине 670 км, имеет перестраивающийся механизм действия. Всплывающее легкое вещество длительное время полностью или почти полностью задерживается фазовым барьером на границе между нижней и верхней мантией. В результате происходит накопление легкой составляющей вещества и тепла под этой границей. Структура конвекции перестраивается таким образом, чтобы преодолеть фазовый барьер на локализованном участке границы, где происходит прорыв легкого вещества в верхнюю мантию. По мере исчерпания запасенной тепловой энергии на эндотермическом фазовом переходе переток вещества прекращается и в этом регионе снова восстанавливается раздельная конвекция в верхней и нижней мантии.
Безинерционное движение верхней мантии моделируется в приближении Буссинеска. Тогда в каждый момент времени движение определяется текущим распределением плотности, которая в термохимической модели, согласно приближению Буссинеска вы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.