ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 3, с. 432-439
МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ ^
УДК 551.465
ТЕПЛОВОЙ ПОТОК И ГЕОДИНАМИКА ВОЗВЫШЕННОСТЕЙ ШАТСКОГО И ХЕССА (ТИХИЙ ОКЕАН)
© 2004 г. Е. В. Вержбицкий, М. В. Кононов
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва Поступила в редакцию 30.12.2002 г., после доработки 31.03.2003 г.
Рассчитан по данным теплового потока возраст возвышенностей Шатского (~140 млн. лет) и Хесса (~100 млн. лет), соответствующий возрасту, определенному по магнитным данным. Рассчитана мощность литосферы возвышенностей (80-90 км) близкая мощности плит океанического обрамления. Это указывает на образование возвышенностей вблизи оси спрединга. Сделан вывод о том, что возвышенности формировались как самостоятельные структуры, а их геотермическая эволюция происходила в соответствии с кристаллизационной моделью образования океанического дна. Выполнен тектонический анализ северной части Тихого океана и предложена геодинамическая модель образования возвышенностей Шатского и Хесса в период 140-83.5 млн. лет. Согласно модели возвышенности были сформированы в области точки тройного сочленения плит Изанаги-Фараллон-Тихоокеанская, что подтверждается результатами исследований теплового потока.
введение
Возвышенности Шатского и Хесса расположены в северо-западной части Тихого океана, примерно симметрично относительно Императорского хребта (рис. 1).
Возвышенность Шатского протягивается в юго-западном направлении на ~1500 км при ширине около 500 км. Возвышенность состоит из Северного, Центрального и Южного массивов, превышающих дно Северо-Западной котловины на 2-3 км. Массивы разделены депрессиями до глубин 5 км и осложнены горстами, длина которых не превышает 80 км [8, 6]. Возвышенность Хесса напоминает в плане перевернутую букву Т, составляющие которой имеют северо-западное и восток-северо-восточное простирание. Северо-западная часть возвышенности имеет длину ~400 км, ширину ~80 км, а ее структура состоит из Центральной платформы и Северного поднятия, которые приподняты над Императорской котловиной на 11.5 км. Южная часть возвышенности Хесса протягивается на ~1000 км при ширине ~400 км и включает Северо-Западный хребет, Южное поднятие, банку Меллиш и Восточный хребет. Превышение этих структур над окружающей котловиной составляет 2-3 км.
Местами рельеф возвышенностей Шатского и Хесса характеризуется большой расчлененностью с высотой отдельных ступеней фундамента 100-1000 м и более [25].
По данным сейсмических исследований, осадочный чехол на возвышенностях Шатского и Хесса фрагментарен, а его мощность в целом не превышает 1 км [10, 5]. Осадки, перекрывающие фундамент, практически не деформированы. Анализ палеонтологических остатков в базаль-
ных осадочных слоях указывает, что возвышенности в момент их образования находились в мелководных (субаэральных) условиях, после чего опустились до глубин 2-3 км. Осадочная толща этих возвышенностей в основном характеризуется биогенным кремнисто-карбонатным разрезом. Это свидетельствует о накоплении осадков выше уровня карбонатной компенсации. Под осадками залегает второй сейсмический слой со скоростями продольных волн 5.2-5.5 км/с. Третий слой характеризуется скоростью 6.8 км/с. В целом, мощность коры (15-20 км) возвышенностей Шатского и Хесса увеличена в 2-3 раза по сравнению с мощностью коры (~7 км) глубоководных котловин Мирового океана.
Скорость излияния базальтовых лав и их распределение по площади в процессе формирования возвышенностей Шатского и Хесса аналогичны выплавке траппо-базальтов на плато Декан (Индийский континент). В связи с этим был высказан ряд гипотез генезиса обеих возвышенностей, включая гипотезы выплавки траппо-базальтов континентального типа, базальтов, океанических плато, магматизма асейсмичных хребтов и горных цепей [7, 23].
Возвышенности Шатского и Хесса слабо выражены в поле силы тяжести. Эти структуры характеризуются знакопеременными аномалиями в свободном воздухе 10-20 мГал, что указывает на их изостатическую уравновешенность [10].
Возвышенность Шатского находится в районе широкого развития линейных магнитных аномалий, в то время как возвышенность Хесса расположена в зоне спокойного магнитного поля, где аномалии отсутствуют (рис. 1). Ближайшая магнитная аномалия С34 (83.5 млн. лет) к северо-востоку от возвышенности Хесса находится на рас-
Рис. 1. Карта геотермической и магнитной изученности северо-западной части Тихого океана.
1 - а - линейные магнитные аномалии; б, в - трансформные разломы: б - достоверные, в - предполагаемые; 2 - точки измерения теплового потока (мВт/м2); 3 - скважины глубоководного бурения и их номер; 4 - зона субдукции; 5 - подводный хребет; 6 - траектории движения точки тройного сочленения плит: а - установленные, б - предполагаемые; 7 -направление передвижения горячей точки, указывающее на связь возвышенностей Шатского и Хесса. Римскими цифрами обозначены: I - Возвышенность Шатского; II - Возвышенность Хесса.
1 - Хребет Папанина; 2 - Подводные горы Оджин; 3 - Хребет Лилиоуокалани; 4 - Императорская цепь подводных гор.
стоянии ~600 км. Аномалии, обрамляющие возвышенность Шатского имеют характерный коленообразный излом. К северо-западу от этой возвышенности расположены мезозойские аномалии М20-М1 (146-124 млн. лет), а к юго-востоку М22-М10 (150-132 млн. лет) [22, 23, 20].
Симметричное расположение относительно Императорского хребта, увеличенная мощность коры по сравнению с корой окружающих котловин и значительное погружение фундамента в процессе геодинамической эволюции в принципе дает основание сделать вывод об общем генезисе возвышенностей Шатского и Хесса. Однако, особенности распределения магнитного поля в северо-западной части Тихого океана указывают на различный возраст этих структур. Излом полосовых аномалий в районе возвышенности Шатского позволяет предполагать ее образование в районе точки тройного сочленения плит. С другой стороны, возвышенность Хесса находится в зоне спокойного магнитного поля. В этих условиях ключевую роль будет играть геотермический метод, который позволяет выполнить расчеты возраста дна, провести моделирование глубинного строе-
ния литосферы возвышенности. Учитывая аномальную мощность коры возвышенностей Шатского и Хесса необходимо также выполнить анализ данных теплового потока с целью выяснения вопроса о связи погружения фундамента этих структур с геотермической (кристаллизационной) моделью образования океанической литосферы. Оценка геодинамических параметров эволюции возвышенности Хесса потребует дополнительно тектонического анализа региона. В свою очередь, геотермический и кинематический анализ, петрохимические данные и новые данные о линейных магнитных аномалиях позволят сделать более аргументированные выводы о механизме и глубинном источнике образования возвышенностей Шатского и Хесса. Всем перечисленным выше вопросам и посвящена эта работа.
геотермический режим и генезис литосферы возвышенности шатского и хесса
На рис. 1 дано распределение теплового потока в районе возвышенностей Шатского и Хесса. Тепловой поток на возвышенности Шатского, в це-
лом, ниже среднепланетарного (60 мВт/м2) и изменяется в пределах 28-57 мВт/м2. В северо-восточной и юго-западной части структуры имеются повышенные значения теплового потока 73 мВт/м2 и 96 мВт/м2. Эти повышенные значения приурочены к разломным зонам возвышенности и скорее всего обусловлены магматическими интрузиями неоген-четвертичного времени [11, 3].
Средний возраст возвышенности Шатского на основании имеющихся здесь линейных магнитных аномалий М20-М10 (150-132 млн. лет) составляет ~140 млн. лет и согласуется с данными глубоководного бурения [15]. Как уже отмечалось выше, возвышенность Шатского изостатически уравновешена. Поэтому для оценки фонового теплового потока структуры можно применить соотношение, которое является решением уравнения теплопроводности для геотермической модели формирования океанической литосферы [12]:
А Т
Я = -=а= = 480/л/г, (1)
где я - мВт/м2, тепловой поток; А = 3.2 х х 10-3 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) среднее значение возраста возвышенности Шатского (~140 млн. лет), найденное по магнитным данным, получим оценку среднего (фонового) значения теплового потока, равную 40 мВт/м2. Это хорошо согласуется с геотермическим фоном возвышенности (41 ± ± 9 мВт/м2), рассчитанным по измеренным значениям теплового потока и геотермическим фоном непосредственно примыкающих к возвышенности участков литосферных плит (42 ± 3 мВт/м2).
Оценку мощности литосферы возвышенности Шатского можно выполнить, использовав соотношение, устанавливающее связь между временем остывания океанической литосферы и ее мощностью [29, 2]
И1 = (Т, / Та )Лш = 7.8 Л, (2)
здесь И1 - мощность литосферы; Т/Та = = 1200/1350°С, отношение температур солидуса и ликвидуса базальтов мантии, а = 7.8 х 103 см2/с -коэффициент температуропроводности вещества мантии; г - млн. лет, возраст литосферы.
Тогда для среднего возраста возвышенности Шатского 140 млн. лет, определенного по магнитным аномалиям, мощность литосферы, исходя из соотношения (2), составит ~92 км. Следует отметить, что этот возраст возвышенности обусловлен, в целом, намагниченностью 2 (базальтового) слоя коры, который составляет лишь самую верхнюю часть литосферы.
Используя соотношение (1) можно рассчитать возраст возвышенности Шатского и прилегающей котловины по фоновым тепловым потокам (41 и 42 мВт/м2, соответственно), полученным выше по данным измерений. В этом случае рассчитанный возраст возвышенности составит 137 млн. лет, а котловины - 130 млн. лет. Определенный возраст возвышенности хорошо согласуется с ее возрастом (140 млн. лет), найденным по магнитным аномалиям. Небольшое различие (~7 млн. лет) в возрасте котловины и возвышенности Шатского позволяет сделать вывод о формировании возвышенности вблизи оси спрединга, в процессе которого была сформирована литосфера котловины. На это указывают и бл
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.