ГЕОТЕКТОНИКА, 2014, № 1, с. 77-96
УДК 550.361
ГЕОТЕРМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ОБСТАНОВОК
РАЗНОГО ТИПА
© 2014 г. М. Д. Хуторской, Б. Г. Поляк
Геологический институт РАН, 119017, Москва, Пыжевский пер., д. 7 Поступила в редакцию 15.04.2013 г.
Рассматриваются особенности распределения теплового потока, глубинных температур и отношения изотопов гелия в зонах осевого спрединга (срединно-океанических хребтах), в зонах "рассеянного спрединга" (задуговых бассейнах), в активных частях трансформных разломов, во внутрикон-тинентальных и периконтинентальных рифтовых зонах, в палеозойских линейных и мозаичных складчатых поясах, в осадочных бассейнах нагрузки и растяжения. Отмечаются резкие различия в этих структурах величин теплового потока (от 15 до 1500 мВт/м2) и, соответственно, мощности термической литосферы. В палеозойских складчатых поясах количественно оценена радиогенная теплогенерация, обеспечивающая 40—50% фонового теплового потока. Показано, что нестационарность теплового потока проявляется не только в современных, но и в позднепалеозойских тектонических поясах. Объясняется природа положительных и отрицательных геотермических аномалий. Подчеркнута связь таких аномалий в осадочных бассейнах с локализацией месторождений углеводородов.
Ключевые слова: тепловой поток, спрединг, складчатые пояса, осадочные бассейны, рифты
Б01: 10.7868/80016853X14010020
Величина плотности теплового потока1 из земных недр является важнейшим индикатором геодинамической активности структур литосферы как на современном этапе их развития, так и в геологическом прошлом.
Зная теплофизическую структуру геологического разреза, можно рассчитать положение изотерм в земной коре и в верхней мантии и сопоставить его с термодинамическими условиями метаморфизма, фазовым состоянием вещества и намагниченностью пород, а также локализовать зоны резких латеральных контрастов температуры, к которым, как правило, приурочены проявления сейсмической активности и магматизма. Поэтому количественная интерпретация геотермических данных (геотермическое моделирование) является мощным инструментом для понимания строения литосферы в различных геодинамических обстановках.
Рифтовые зоны, складчатые пояса и осадочные бассейны характеризуются специфическими особенностями вулканизма, метаморфизма и металлогении, а также отличающимися по форме, знаку и интенсивности аномалиями потенциальных геофизических полей, в том числе геотермического.
Этим последним и посвящена настоящая работа. Мы рассмотрим особенности распределе-
1 В дальнейшем мы будем вместо векторной характеристики теплового поля Земли — плотности кондуктивного теплового потока, применять термин "тепловой поток", всегда подразумевая под этим именно его плотность.
ния теплового потока и глубинных температур в разных группах тектонических структур: в океанических и континентальных зонах рифтогенеза, в линейных и мозаичных складчатых поясах и в осадочных бассейнах нагрузки и растяжения, основываясь на литературных данных и результатах собственных измерений в разных районах Мирового океана и Северной Евразии.
СОВРЕМЕННЫЕ ЗОНЫ РИФТОГЕНЕЗА
Рифтовые структуры образуются на континентах и в океанах в принципиально различных геодинамических обстановках — активного или пассивного рифтинга [58 и др.]. Такая терминология придает большее значение сходству последствий разных процессов — спрединга новообразующей-ся коры в океанах и деструкции древней на континентах, — чем различию их механизмов, которое важнее для понимания их природы.
Срединно-океанические рифты (зоны "осевого" спрединга). Как известно, в рифтовых впадинах вдоль осей срединно-океанических хребтов (СОХ) обнаружены аномально высокие (а также "нулевые" и даже отрицательные) значения плотности кондуктивного теплового потока. СОХ представляют собой дивергентные границы плит, где происходит спрединг океанического дна в результате внедрения мантийного материала. Поэтому наблюдаемый здесь тепловой поток определяется не только кондуктивным, но и конвективным выносом тепла. Вдоль осей СОХ развиваются рифтовые впадины, ширина которых обратно пропорциональна скорости спре-
динга. Кондуктивная составляющая теплового потока в этих впадинах достигает "ураганных" величин, в 15—30 раз превышающих среднеплане-тарное значение. Когда оси хребтов перекрыты, как в Калифорнийском заливе или в Красном море, мощным чехлом осадков, препятствующим разгрузке магмы и термальных вод на поверхность дна, измеренный кондуктивный поток, превосходящий местами 1500 мВт/м2, адекватен общим теплопотерям, так как в этих случаях конвективная их компонента близка к нулю. В других условиях, когда мощность осадочных пород мала, измеренный кондуктивный тепловой поток может оказаться нулевым (а над пологим разломом, вдоль которого разгружаются гидротермы, даже отрицательным), но это вовсе не значит, что в этом месте тепло не удаляется из литосферы. Просто здесь оно целиком выносится конвекцией при почти нулевом или не превышающем значения адиабатического (0.4 мВт/м2) кондуктив-ном теплопотоке внутри восходящей конвективной (точнее, адвективной) струи. Средние же величины полных теплопотерь, рассчитанные как сумма кондуктивной и конвективной компонент, в разных отрезках океанических хребтов — одного порядка и находятся, по разным оценкам, в диапазоне 400—700 мВт/м2 [11, 44 и др.]. Примерно те же цифры дали подсчеты общих тепло-потерь в рифтовых зонах Исландии с учетом масштабов разгрузки гидротерм [40].
Количество тепла, переносимого за счет конвективного теплопереноса, обусловленного вертикальной фильтрацией магмы в астеносфере, приблизительно равно Q ~ рср]Т, где] — скорость вертикальной фильтрации (приблизительно, 2 х х 10-10 м/с), р = 2800 кг/м3 — плотность магмы; ср = 1050 Дж/кг • К — ее удельная теплоемкость при постоянном давлении; Т = 1300°С — ее температура. При таких значениях сомножителей конвективный вынос тепла оценивается величиной р ~ 800 мВт/м2. Если сконцентрировать суммарный фильтрационный тепловой поток в узкой осевой зоне магматического резервуара шириной порядка 10 км, в которую "сливается" магма из более широкой 100-километровой области астеносферы благодаря центростремительной горизонтальной составляющей фильтрации, то полный тепловой поток в рифтовой зоне примерно будет соответствовать тем "ураганным" его значениям, которые измерены в Калифорнийском заливе и Красном море.
С зонами "осевого" спрединга генетически связаны субортогональные этим зонам трансформные разломы, в которых преобладает сдвиговая компонента. По сравнению с осевыми зонами СОХ, трансформные разломы геотермически изучены слабее, однако некоторые из них (разломы Атлантис, Кейн, Вима) [44, 62, 68, 85] охарактеризованы достаточным количеством данных.
Зона разломов Вима (~11° с.ш.) представляет собой чередование горных массивов (хребтовых блоков) и депрессий — широтных разрывов, по которым лежащий севернее отрезок САХ сдвинут к западу почти на 3° по долготе. Депрессии заполнены плейстоценовыми турбидитами мощностью до 1 км [65].
Распределение теплового потока в депрессиях и на хребтовых блоках носит принципиально различный характер. В блоках распределение типично для САХ, показывая довольно широкий разброс значений теплового потока — от 9 до 100 мВт/м2, хотя средние его величины в северном и южном блоках примерно равны (соответственно 59 и 51 мВт/м2 при 1а ~ 31 мВт/м2). Широтные депрессии отличаются относительно стабильными и аномально высокими значениями теплового потока (112—260 мВт/м2) при среднем значении и стандартном отклонении 152 и 41 мВт/м2 соответственно. Учитывая влияние экранирующего эффекта седиментации на тепловое поле [70], глубинный поток в депрессиях оценен величиной 250 мВт/м2 [44].
Рассматривая тепловой поток в этом и других трансформных разломах, можно видеть, что в их активных частях он всегда аномально высок, варьируя от 135 до 360 мВт/м2, а субнулевые его значения здесь не наблюдаются. Для этих частей разломов характерна его высокая стабильность и малая дисперсия в пределах каждого разлома. Это позволяет сделать вывод, что конвективный вынос тепла, столь резко нарушающий тепловой поток в осевых зонах срединно-океанических хребтов, в трансформных разломах не имеет существенного значения. Действительно, большинство трогов крупных трансформных разломов заполнены мощными (до ~1 км) толщами осадков, что исключает конвекцию. Как показали исследования с помощью глубоководных спускаемых аппаратов, даже 30—50-метровый слой пелагических илов является непроницаемым экраном для разгрузки из-под них гидротермальных растворов [86]. Это дает объективную возможность для оценки величины полного выноса энергии в осевых зонах рифтов на их пересечении с транс -формными разломами, которую мы уже приводили выше.
Для объяснения природы аномально высоких значений теплового потока в активных частях трансформных разломов обсуждалось несколько механизмов. Один из них — это выделение тепла тектонического трения при сдвиговых деформациях. Фрикционный разогрев контактов смещающихся блоков неизбежен. Однако количественные расчеты, выполненные для ряда трансформных разломов, в том числе наиболее обоснованная оценка этого эффекта в разломе Сан-Андреас [74], показали, что тепло тектонического трения не играет существенной роли в фор-
мировании наблюдаемого теплового потока, обеспечивая не более 15% от измеренной его величины.
Весьма популярной среди исследователей является модель "суперпозиции тепловых аномалий" [75]. Аномалия теплового потока для разлома Вима была рассчитана как результат суперпозиции полей от северной и южной стенок разлома, имеющих разный возраст в зависимости от положения осей рифтовых зон. На рис. 1 показано обоснование этой идеи. Фоновый кондук-тивный тепловой поток в центре активной части трансформного разлома можно определить как сумму его значений на огибающих кривых, описывающих его распределение вкрест простирания южного и северного отрезков САХ (пунктирные линии). В точке их пересечения он оказался равен 110 мВт/м2, а суммарный, следовательно, 220 мВт/м2, что хорошо
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.