Рассмотрены глубинное строение и геодинамические условия формирования земной коры хр. Ломоносова и прилегающих структур. Показана схожесть петрофизических свойств и строения земной коры хребта и Восточно-Арктического шельфа.

Ключевые слова: геодинамика, метаморфизм, офиолиты, петрофизика, рифтогенез, серпентинизация.

В 2007 г. ОАО «МАГЭ» выполнило морские геофизические исследования в Арктике на региональном профиле А7 с целью изучения осадочного чехла и глубинного строения земной коры хр. Ломоносова и прилегающих геологических структур Восточно-Арктического шельфа (рис. 1).

Комплекс геофизических методов включал сейсморазведку МОВ ОГТ, надводную гравиметрию, дифференциальную магнитометрию и эхолотный промер глубин. Интервал сейсмической записи 12 с, погрешность гравиметрических измерений ±0.2 мГал, гидромагнитных - ±5 нТл, эхолотирования - 1 % от измеренной глубины.

В это же время на большей части профиля А7 «ВНИИОкеангеология» провела сейсморазведочные работы КМПВ и ГСЗ в рамках программы «Арктика 2007» [Поселов и др., 2010].

В результате комплексной интерпретации материалов вдоль профиля построена геолого-геофизическая модель земной коры (рис. 2). Моделирование выполнено в двухмерном варианте с использованием данных о скорости, плотности и намагниченности пород. Параметризация верхней части разреза осадочного чехла производилась с учетом скоростных зависимостей, сведений о плотности и намагниченности, полученных по данным сейсморазведки и петрофизическим исследованиям на суше. Учитывались также результаты уникального бурения на хр. Ломоносова вблизи Северного полюса, выполненные с помощью двух ледоколов («Советский союз» и Oden) и бурового судна (Vidar Viking) [Backman et al., 2006].

На построенной модели видно, что при переходе от шельфа к океану мощность земной коры уменьшается. В шельфовой части профиля мощность коры составляет 28-30 км, в районе хр. Ломоносова - 20-22 км. Наиболее тонкая консолидированная кора отмечена в области континентального склона. Утонение консолидированной коры в переходной области происходит вследствие континентального рифтогенеза, подъема пород нижней коры и мантии. В области шельфа дезинтеграция верхней хрупкой коры сопровождается внутрикоровыми инъекциями базитов. Поэтому для глубоких прогибов в континентальной части характерно увеличение намагниченности пород фундамента.

Значительная амплитуда прогибания верхней коры на профиле А7 (до 10 км) отмечается в шельфовой области и в районе континентального склона. Вблизи континентального склона наблюдается проградационное заполнение прогибов палеоген-четвертичными осадками. Структурные взаимоотношения осадочного чехла и фундамента свидетельствуют о том, что процесс континентального рифтогенеза предшествовал океаническому развитию Арктического бассейна. Судя по полученным данным, тектоно-магматическая активизация и связанный с ней рифтогенез наиболее активно проявились в позднемеловое время.

Вблизи бровки континентального склона выделяется крупная положительная гравитационная аномалия, обусловленная эффектом Гельмерта - резким изменением структуры и состава коры. Здесь в геофизических полях и в рельефе дна локальными понижениями проявляется зона тектонических нарушений, отражающая блоковое строение склона. Кинематика зоны разломов свидетельствует о том, что в переходной области от континента к океану происходит общее растяжение земной коры, приводящее к обрушению блоков в районе континентального склона. Консолидированная кора утоняется до 6-8 км, а характерные для шельфа узкие глубокие рифтогенные прогибы объединяются в широкую впадину. Впадина имеет более крутой, уступообразный южный борт и пологий северный, плавно переходящий в поднятие хр. Ломоносова. Характер рельефа дна, поверхности фундамента и сейсмических границ говорит о растяжении земной коры (рис. 2).

На модельном разрезе видно, что глубинные разломы, отделяющие блоки, на южном фланге профиля падают на север. При приближении к континентальному склону разломы становятся крутыми, а в области континентального подножья приобретают противоположное - в основном южное падение. Очевидно, что структура земной коры в переходной зоне обусловлена поднятием границы Мохоровичича. При этом различия в реологических свойствах, определяемые составом пород и Р-Т условиями на разных глубинах, проявляются в веерообразном раскрытии разломов в хрупкой верхней коре. Утонение кристаллической коры происходит за счет «эрозии» снизу «гранито-гнейсового» слоя.

Механизм погружения коры Амеразийского бассейна у разных исследователей предполагается различным. Многие находят объяснение в тектонике плит [Верба, 2008], некоторые связывают это явление с процессами эклогитизации - переходом габбро нижней коры в эклогиты, являющиеся более плотными породами, чем мантийные перидотиты [Артюшков, 2010]. Предлагая различные гипотезы образования структуры Амеразийского бассейна, большинство исследователей сходятся во мнении о континентальном типе коры хр. Ломоносова, что основано на следующих фактах:

1. Мощность земной коры в районе хр. Ломоносова превышает 20 км и сопоставима с корой континентальных окраин.

2. Результаты морского бурения [Поселов и др., 2010; Backman et al., 2006] и донного пробоотбора показывают, что с мелового периода по ранний миоцен осадки в районе хребта накапливались в мелководных, либо подвергались размыву в приповерхностных условиях.

3. Найдены архейские граниты на склоне хр. Ломоносова, источником которых предполагаются древние породы самого хребта [Петров и др., 2010].

4. По результатам ряда зарубежных геофизических исследований континентальная кора, как правило, характеризуется низким градиентом скорости Р волн (<0,05/с) и относительно невысокими скоростями в нижней коре (<7,0 км/с), в то время как для океанической коры характерны высокий градиент скорости (~ 0,1/с) в верхней части коры и низкий градиент (~ 0,01/с) при более высоких скоростях (7,2 км/с) в нижней коре [Minshull, 2009]. Скоростная модель, построенная на профиле А7, по этим характеристикам соответствует модели континентальной коры [Поселов и др., 2010].

5. Аномальное магнитное поле хр. Ломоносова наследует характер и как бы продолжает структуру поля континентальной коры морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, но резко отличается по морфологии от смежных котловин Амундсена и Подводников (рис. 1, 3).

6. Теоретические исследования показали, что скорость погружения хр. Ломоносова значительно отличается от скорости погружения жесткой океанической плиты [Артюшков, 2010].

Модель, построенная нами по комплексу геофизических параметров (рис. 2), хорошо согласуется со скоростной моделью [Поселов и др., 2010]. При этом плотность и магнитная восприимчивость пород осадочного чехла, средней и нижней коры, а также мантии, подобранные при моделировании, отвечают петрофизическим характеристикам соответствующих слоев коры континентального типа.

Таким образом, практические данные, результаты моделирования и теоретических исследований свидетельствуют о том, что Ломоносовский сегмент Амеразийского бассейна соответствует коре континентального типа.

Следует отметить, что в районе хр. Ломоносова (600-620 км на профиле А7) выделяется область, где по данным МОВ в низах коры фиксируются множество отражающих поверхностей, складывающихся в куполовидную структуру (рис. 2). Здесь наблюдается потеря корреляции ярких отражений от границы Мохоровичича, которая достаточно уверенно прослеживается в других частях хр. Ломоносова. К области приурочена крупная магнитная аномалия. На модельном разрезе в консолидированной коре здесь также выделяется куполообразное тело, отличающееся от вмещающих пород по петрофизическим свойствам. Для него характерно концентрически-зональное строение, проявляющееся в увеличении намагниченности пород, сопровождаемое уменьшением их плотности к центру.

Подобную зональность можно связать с широко распространенным процессом серпентинизации основных и ультраосновных пород, приводящим к разуплотнению, увеличению их объема и намагниченности. На выделенном участке профиля породы, по-видимому, подвергнуты метаморфизму вследствие термальной переработки консолидированной коры с привносом магнитоактивных компонентов. Такой метаморфизм пород может происходить при температурах ниже 400-450 °С с активным участием воды. Вода, вероятно, проникает по разломам и трещинам вследствие кессонного эффекта. Растяжение коры должно проявляться на поверхности в виде зоны крупного разлома. В данном случае разломная зона отчетливо выражена высокой изрезанностью рельефа дна и смещением границ, выделяемых сейсморазведкой. Учитывая выше сказанное, можно предположить, что рассматриваемая структура представлена куполовидным поднятием серпентинизированных пород, растущим в зоне крупного разлома. Вероятно, это трансформный глубинный разлом, уходящий в нижнюю кору. Результаты моделирования и расчета верхних кромок магнитоактивных объектов показывают, что метаморфизованные таким образом породы подходят достаточно близко к поверхности дна.

Генезис выделенной структуры может быть предметом дискуссии. В качестве возможного варианта предлагается гипотеза образования офиолитовых параавтохтонов, предложенная в работе [Сатиан. 1981], согласно которой утонение континентальной коры происходит за счет ее растяжения под воздействием мантийного диапира. Растяжение приводит к тектоническим разрывам, образованию глубоких трогов и базитовому диапиризму.

Механизм формирования офиолитов и магматических очагов за счет внедрения офиолитовых масс по глубинным разломам к верхним горизонтам земной коры рассмотрен в работе [Арутюнян, 2010], где в качестве их источника предполагается нижний серпентинизированный слой земной коры. Данные, полученные по профилю А7, хорошо согласуются с предложенным механизмом и условиями образования офиолитов.

Веским аргументом в пользу предложенной модели могли бы послужить результаты ГСЗ с регистрацией одновременно Р и S волн, так как отличительной чертой серпентинизированных пород является аномально высокое соотношение скоростей Р/S волн [Minshull, 2009]. Но такие работы не проводились из-за больших глубин и ледовитости акваторий Арктики.

Таким образом, в области континентального склона и хр. Ломоносова наблюдается деструкция и преобразование континентальной коры за счет ее растяжения и тепломасс переноса вещества из нижней коры и мантии. Процесс сопровождается физико-химическими изменениями, метаморфизмом пород, которые находят отражение в аномалиях волновых и потенциальных полей. По-видимому, не только структура хр. Ломоносова подвержена этим геодинамическим процессам. Морфология аномального магнитного поля к востоку от хребта дает основание полагать, что подобные условия характерны для формирования земной коры всего Амеразийского суббассейна.

Результаты моделирования геологического разреза, выполненного по комплексу геофизических параметров, свидетельствуют о схожести петрофизических свойств и структуры геологического разреза земной коры Восточно-Арктического шельфа и хр. Ломоносова. Они соответствуют результатам глубинной сейсморазведки и дополняют разрез в южной части профиля там, где данные ГСЗ отсутствуют.

В ходе структурного анализа и моделирования геологического разреза на профиле А7 получены данные, свидетельствующие о растяжении земной коры в изучаемом регионе. На основании этих данных можно сделать вывод о том, что утонение консолидированной коры происходит в основном за счет «гранито-гнейсового» слоя, как в результате растяжения и базификации снизу, так и прогибания с дезинтеграцией его верхней части. Образовавшиеся в результате рифтогенные прогибы выполнены мощной толщей меловых-четвертичных осадков (до 7-10 км на профиле А7).

Повышенный тепловой поток вследствие подъема мантии способствует реализации нефтегазового потенциала осадочной толщи. Поэтому даже сравнительно слабо литифицированные осадки палеоген-мелового возраста, заполняющие прогибы, на глубинах более 1,5 км могут генерировать углеводороды.

Процессы растяжения, наблюдаемые в изучаемом регионе и в настоящее время, привели к формированию сбросо-сдвиговых структур, зон трещиноватости и дробления в осадочном чехле. Следовательно, основная проблема при оценке ресурсного потенциала углеводородов на рассматриваемой площади связана с характером их аккумуляции. В связи с перспективностью региона на поиски месторождений углеводородов и для решения этой проблемы необходима постановка комплексных геофизических работ по регулярной сети профилей и разведочно-параметрического бурения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артюшков Е.В. Континентальная кора на хребте Ломоносова, поднятии Менделеева и в котловине Макарова. Образование глубоководных впадин в неогене // Геология и геофизика. 2010. Т. 51. № 11. С. 1515-1530.

2. Арутюнян А.В. Земная кора Малого Кавказа, офиолиты, вулканизм, нефтегазоносность, сейсмичность / Вестник ОНЗ РАН, 2, NZ6006, 2010. С. 4453. doi:10.2205/2010NZ000024,

3. Верба М.Л. Сравнительная геодинамика Евразийского бассеина. СПб.: Наука, 2008.

4. Ким Б.И., Глезер З.И. Осадочный чехол хребта Ломоносова (стратиграфия, история формирования чехла и структуры, возрастные датировки сейсмокомплексов) // Стратиграфия, геологическая корреляция. 2007. Т. 15. № 4. С. 63-83.

5. Петров О.В., Морозов А.Ф., Лайба А.А. Архейские граниты на Северном полюсе. Строение и история развития литосферы. / Гл. ред. Ю.Г. Леонов. М.: Paulsen, 2010. С. 192-203.

6. Пискарев А.Л. Петрофизические модели земной коры Северного Ледовитого океана. / Под ред. Ю.Е. Погребицкого. СПб.: ВНИИОкеангеология, 2004.

7. Поселов В.А., Каминский В.Д., Иванов В.Л. и др. Строение и эволюция земной коры области сочленения поднятий Амеразийского суббассейна с Восточно-Арктическим шельфом в связи с проблемой ВГКШ Российской Федерации в СЛО. Строение и история развития литосферы. / Гл. ред. Ю.Г. Леонов. М.: Paulsen, 2010. С. 599-634.

8. Сатиан М.А. Офиолитовые прогибы Мезотетиса Ереван: Изд. АН Арм. ССР, 1981.

9. Backman J., Moran K., McInroy D.B. et al. Proceedings of the Integrated Ocean Drilling Program. V. 302. 2006.

10. Minshull T.A. Geophysical characterization of the ocean - continent transition at magma-poor rifted margins // Comptes Rendus Geoscience, 2009. V. 341, (5). Р. 382–393.

11. Mjelde R., Breivik A.J., Raum T. et al. Magmatic and tectonic evolution of the North Atlantic // Journal of the Geological Society. 2008. V. 165. P. 31-42.

Zhuravlev V.A., Kirillova-Pokrovskaya T.A., Shadrina E.U. (JSC «MAGE»)

EARTH CRUST MODEL ON THE PROFILE A7 (LOMONOSOV RIDGE)

It gives information about structure and geodynamic conditions of forming of the Earth crust of the Lomonosov Ridge and adjacent structures. It shows similarity of the petrophysical property and structure of the Earth crust of the ridge and East-Arctic shelf.

Key words: geodynamics, metamorphism, ophiolites, petrophysics, rifting, serpentinization.