Одним из опорных источников информации о тектонике и геодинамике Арктического региона являются геотермические данные. Тепловой поток в пределах этого региона изучен в Западно-Арктическом и Амеразийском бассейнах.

Численное моделирование геотемпературного поля вдоль сейсмогеологических геотраверсов в условиях структурно-теплофизических неоднородностей литосферы позволило создать 3D-модели распределения глубинных температур и теплового потока. В качестве краевого условия на нижней границе области моделирования использованы результаты измерений теплового потока, а на верхней границе - температуры придонного слоя воды. По аналогии с методикой построения томографических моделей в геофизике этот метод назван термотомографическим [Хуторской и др., 2003].

Вдоль каждого из геотраверсов выполнен расчет глубинных температур по программе «TERMGRAF», разработанной нами [Хуторской, 1996]. Построение трехмерной региональной геотермической модели производилось с помощью пакета трехмерной графики «TECPLOT v.9.0» (Amtec Enginering Inc.), который позволяет провести объемную интерполяцию наблюденного поля (температуры, теплового потока, а также структурных сейсмотомографических границ) в координатах: широта-долгота-глубина. Построение трехмерных (объемных) моделей распределения температур и тепловых потоков позволяет получить карты-срезы геотермического поля на любой глубине и таким образом определить те уровни, на которых существуют характерные температурные границы: а) условия для катагенетического преобразования органического вещества, б) изотерма Кюри, в) солидусные условия для мантийного вещества и т.д. Таким образом, в первом приближении удается прогнозировать глубину и локализацию размещения месторождений углеводородов, определить мощность магнитоактивного слоя и толщину литосферы [Хуторской и др., 2003].

Анализ имеющихся на сегодняшний день скважинных и зондовых измерений в Западно-Арктическом регионе позволяет говорить о тенденции повышения теплового потока от Кольского побережья в северо-восточном и северо-западном направлениях. Так, в зоне сочленения Кольской микроплиты и Балтийского щита среднее значение теплового потока составляет 54 мВт/м², а в районах Северо-Баренцевской впадины и Центрально-Баренцевского поднятия - 70 мВт/м². Такой тренд теплового потока можно объяснить влиянием тектонических процессов в земной коре Баренцевоморской плиты, омоложение которых происходит в северном направлении. Авторы ранее уже высказывали предположение о связи этого явления с развитием рифтогенеза на разных стадиях тектонической истории Баренцевоморской плиты [Khutorskoy et al., 2004].

Измерения теплового потока авторами работы выполнялись с помощью новой модификации известной и апробированной серии геотермических зондов «ГЕОС» - зондом «ГЕОС-М». Зонд предназначен для автоматического высокоточного измерения температуры донных осадков; градиента температур на четырех измерительных базах, теплопроводности осадков на тех же базах, гидростатического давления (глубины), температуры воды, угла внедрения зонда в осадки (угла отклонения от вертикали) и определения на основе полученных данных глубинного теплового потока Земли через дно акваторий. Кроме того, зонд позволяет осуществлять вертикальное температурное зондирование водной толщи. По кабель-тросу осуществляется управление процессом измерения, вся получаемая информация поступает в набортный компьютер.

На термотомографических моделях впервые выявлены характерные структуры в виде «температурных куполов», контролирующие локализацию месторождений углеводородов.

На полигоне «ЗФИ» было выполнено семь измерений теплового потока и температуры в толще воды. В результате измерений температуры водной толщи был обнаружен слой отрицательных температур в интервале глубин 30- 80 м и изотермическая зона при глубинах более 370- 380 м . Таким образом, была определена минимальная глубина (~370 м), при которой возможно измерять тепловой поток. При меньших глубинах сказывалась «неизотермичность» водной толщи, что обусловливало нелинейность термограммы в донных осадках и соответственно увеличение погрешности измерений. На большинстве станций его можно было рассчитать только по показаниям температуры самых нижних баз зонда. Мы получили два высоких значения теплового потока (88 и 97 мВт/м²) по линии север-северо-восточного простирания, относящейся к проливу Франц-Виктория, а также пониженные значения теплового потока (30-35 мВт/м²) западнее и восточнее этой предполагаемой линии.

Подобные вариации теплового потока, где на небольшом пространстве значения изменяются в два раза, характерны для районов развития эвапоритовых бассейнов в условиях деструкции коры. Эвапориты повсеместно встречаются в разрезах океанического чехла окраинных периокеанических бассейнов Атлантики [Rowley & Lottes, 1988; Шеридан, 1978].

Объектом изучения на полигоне «Шпицберген» был желоб Орла, простирающийся от Земли Короля Карла на юге до подножия континентального склона Котловины Нансена на севере.

Желоб представляет собой узкую, выраженную в рельефе дна депрессию меридионального простирания. Высота стенок депрессии составляет до 400 м , а дно расположено на глубине 470- 520 м и еще более углубляется с выходом к континентальному склону. По простиранию желоб выражен на протяжении почти 200 км при ширине всего 50 км .

Распределение температуры в водной толще полностью аналогично тому, которое описано для полигона «ЗФИ».

В желобе и на его продолжении в пределах континентального склона было выполнено 20 измерений теплового потока, принесших, без преувеличения, «сенсационные» результаты. Он составлял от 300 до 520 мВт/м², что почти в 10 раз выше уровня фонового теплового потока для Баренцева моря. Идеальная форма записи температуры датчиков в грунте не оставляла сомнений в достоверности полученных результатов.

На всех «аномальных» станциях термограммы имели линейную или близкую к линейной форму. Это свидетельствовало о чисто кондуктивной природе измеренного теплового потока. Искривление термограммы, что свидетельствовало бы о конвективной разгрузке глубинного флюида, здесь не наблюдалось.

Экстраполяция температур в нижнее полупространство показывает, что на глубине 4,0- 4,5 км под дном в желобе могут быть встречены солидусные температуры. Это говорит о том, что деструкция континентальной коры произошла на всю ее мощность, и горячее мантийное (?) вещество внедрилось в фундамент, а, возможно, проникло в нижние слои осадочного чехла. Отсутствие признаков конвективной разгрузки глубинного тепломассопотока на дне может быть обусловлено высокой скоростью накопления терригенного и моренного материала, который экранирует проявления зон разгрузки флюидов в придонный слой. Для решения вопроса о степени выноса глубинного материала целесообразно проведение гидрохимического опробования придонных слоев с целью анализа индикаторов мантийного тепломассопереноса (³Не/⁴Не и др.).

Морфология трога, а также полученные впервые для этой структуры геотермические данные показывают, что желоб Орла имеет тектоническую природу. Это, скорее всего, рифт, затрагивающий земную кору на всю ее мощность и находящийся сейчас в активной фазе развития.

На северной окраине шельфа Баренцева моря развита система желобов (трогов), выраженных в рельефе дна. Они ориентированы меридионально, ортогонально к краю шельфа и «раскрываются» по направлению к континентальному склону. Кроме желоба Орла, это желоба Воронина, Святой Анны, Франц-Виктория, а также менее крупные структуры - проливы Британский канал в архипелаге ЗФИ и Хинлопен в архипелаге Свальбард. В последние годы все чаще говорят о тектоническом происхождении этих желобов, применяя к ним термины «грабены» или «рифты» [Лукина и Патык-Кара, 2002; Богданов, 2004].

Желоб Орла из перечисленных крупных депрессионных структур занимает самое западное положение и по своим морфологическим характеристикам близок к структурам меридионального простирания приблизительно такого же масштаба на островах Шпицбергена. На о-ве Западный Шпицберген это система фьордов Бокк-фьорд, Вуд-фьорд и Вейде-фьорд, а также пролив Хинлопен.

Отмеченные структуры, расположенные ортогонально к северной кромке Баренцевоморского шельфа, ориентированы параллельно континентальному склону к западу от Шпицбергена и также параллельно океаническому хребту Книповича, т.е. структурам раскрытия данного сектора Северной Атлантики. Такой структурный план позволяет предположить геодинамическое единство системы океанических (хребет Книповича) и континентальных (Шпицберген) структур.

Расчеты температур и теплового потока в литосфере Амеразийского бассейна проведены вдоль сейсмических геотраверзов «СЛО-92», «АРКТИКА-2000» и «СЛО-89-91».

По нашим расчетам, температура на подошве коры, так же как и глубина границы М, уменьшается в северном направлении. Так, в южной части котловины Подводников I температура на границе М составляет 750-780°С, а в северной части котловины Подводников II - 700°С. Заметим, что граница М в Амеразийском бассейне не является изотермической, т.е. температура на ней зависит от мощности коры. Этот же результат был получен ранее практически для всех пассивных переходных зон Мирового океана, в отличие от активных конвергентных зон Западной Пацифики, где был сделан вывод об изотермической природе границы М [Смирнов и Сугробов, 1980].

В верхней мантии в пределах твердой литосферы температура нарастает от 700-750°С до 1200°С на глубине 42- 45 км . Кровля термической астеносферы, приуроченная к изотерме 1250°С с учетом РТ-условий для данной глубины, проявляется на глубине 50 км .

Таким образом, мы прогнозируем мощность литосферы под котловинами Подводников, равную 50 км .

Полученные данные позволяют констатировать отсутствие новейшей тектономагматической активности в районе котловин Подводников. Анализ фонового теплового потока показал, что внутри литосферы котловин Подводников он составляет 60-70 мВт/м². Имеется тенденция некоторого увеличения фонового теплового потока вкрест простирания котловин. Так, под хребтом Менделеева он достигает 80 мВт/м². Однако это вполне объяснимо влиянием структурно-теплофизических неоднородностей из-за пониженной теплопроводности неконсолидированных осадков котловин по сравнению с обнажающимся складчатым комплексом хребта Менделеева, обладающим более высокой теплопроводностью.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 08-05-00012 и программы Президиума РАН «П-16».

Литература

1. Хуторской М.Д., Подгорных Л.В., Грамберг И.С., Леонов Ю.Г. Термотомография Западно-Арктического бассейна // Геотектоника. 2003. № 3. С. 79-96.

2. Хуторской М.Д. Геотермия Центрально-Азиатского складчатого пояса. М.: РУДН, 1996. 289 с.

3. Khutorskoy M.D., Podgornykh L.V., Leonov Yu.G., Pavlenkin A.D., Polyak B.G. Thermotomography as a new tool for studying the geothermal field // Georesources. 2004. V. I, №8. P. 14-21.

4. Грачев А.Ф. Новый взгляд на природу магматизма Земли Франца-Иосифа // Физика Земли. 2001. № 9. С. 49-61.

5. Rowley D.B., Lottes A.L. Plate-kinematic reconstructions of the North Atlantic and Arctic : late Jurassic to present // Tectonophysics. 1988. V. 155. P. 73-120.

6. Шеридан Р. Атлантическая континентальная окраина Северной Америки // Геология континентальных окраин. Т. 2. М: Мир, 1978. С. 82-101.

7. Лукина Н.В., Патык-Кара Н.Г. Неотектонические структуры и активные разломы Арктического шельфа России // Геология и полезные ископаемые шельфов России. М.: ГЕОС, 2002. С. 271-280.

8. Богданов Н.А. Тектоника Арктического океана//Геотектоника. 2004. № 3. С. 13-30.

9. Смирнов Я.Б., Сугробов В.М. Земной тепловой поток в Курило-Камчатской и Алеутской провинциях: Раздел 1: Тепловой поток и тектоника; Раздел 2: Карта измеренного и фонового теплового потока; Раздел 3: Оценка глубинных температур и мощность литосферы // Вулканология и сейсмология. 1980. № 2. С. 3-18.

Ссылка на статью:

Хуторской М.Д., Подгорных Л.В., Леонов Ю.Г., Ермаков А.В., Ахмедзянов В.Р. Геотермия Арктического бассейна: Проблемы и решения. Геология полярных областей Земли. Материалы XLII Тектонического совещания. Том 2, 2009, с. 275-279.