Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 500, № 2, стр. 123-130

ВВЕДЕНИЕ

Амеразийский бассейн занимает значительную часть Восточной Арктики и его происхождение является одной из главных проблем тектоники Арктики. Среди разнообразных представлений о формировании структур литосферы и в первую очередь Канадской котловины с океанической корой наиболее популярной остается ротационная гипотеза, предложенная в 1958 г. С.У. Кэри, детальное описание современных моделей которой содержится в ([1–4] и мн. др.). В общем виде эта гипотеза представляется следующим образом: крупный континентальный блок – Арктическая Аляска – Чукотка – был оторван от Арктической Канады и с вращением против часовой стрелки причленился к Северной Америке и Евразии. Полюс вращения располагался в дельте р. Маккензи. В результате были закрыты океанические бассейны Южно-Анюйский, Ангаючам и образовалась Канадская котловина с океанической корой. Формирование Канадского бассейна начиналось с рифтогенеза в ранней юре ([3, 4] и др.) или в позднем триасе [2]. В тектонической истории бассейна выделяются два этапа [4]: 1) вращение микроплиты Арктическая Аляска–Чукотка против часовой стрелки и формирование утоненной коры переходного типа (195–131 млн лет); 2) продолжающееся вращение сопровождалось спредингом океанической коры (131–127.5 млн лет), что соответствует аномалиям M04-М01 [4].

Основной проблемой ротационной гипотезы, как и других кинематических моделей происхождения тектонических структур Амеразийского бассейна, является отсутствие ответа на вопрос о физическом механизме, обеспечивающем реализацию предлагаемой кинематики движения блоков коры, например, отрыв и последующее отодвигание континентальных блоков Арктической Аляски и Чукотки от Канадской арктической окраины. Ниже рассматривается обобщение предложенной ранее геодинамической модели эволюции Арктики для позднего мела и кайнозоя, которое позволяет объяснить особенности более ранней стадии эволюции литосферы Восточной Арктики для поздней юры-раннего мела.

ТЕКТОНИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

Для общего понимания тектонической эволюции Арктики, начиная с поздней юры, необходимо отталкиваться от соответствующих палеотектонических реконструкций глобального характера, изображающих движение и взаимодействие основных литосферных плит, окружающих Арктический регион. На рис. 1 представлена палеотектоническая реконструкция для периода 150–130 млн лет, на которой показана часть глобальной внутриокеанской зоны субдукции литосферы Палеопацифики с ее западным сегментом в виде Удско-Мургальской островной дуги, огибающий Омолонский блок, и восточным сегментом в виде системы островных дуг, выделенной под условным названием “Врангелия”. Эта Тихоокеанская зона субдукции отделяла Палеопацифик от палеоокеанов Ангаючам и Южно-Анюйский, внутри которых расположены региональные зоны субдукции с вергентностью, противоположной “внешней” тихоокеанской зоне субдукции Палеопацифики. На реконструкции также показана зона рифтогенеза, по которой осуществлялся откол от арктической окраины Канады Аляскинского и Чукотского блоков коры и формирование в их тылу Канадской котловины.

Рис. 1.

Палеотектоническая реконструкция для периода 150–130 млн лет. 1 – океанические бассейны; 2 – зоны перехода континент–океан, включая островные дуги и задуговые бассейны; 3 – пассивные окраины; 4 – эпиконтинентальные моря; 5 – кратоны и микроконтиненты; 6 – рифт; 7 – палеозойские складчатые области; 8 – мезозойские складчатые области; 9 – зоны субдукции (белым цветом для интраокеанических дуг; 10 – направление спрединга.

Возвращаясь к ротационной гипотезе, отметим, что она была разработана в основном на материалах геологии Северной Аляски (рис. 2) и Арктической Канады. Тектоническая история формирования структур Северной Аляски (рис. 3) действительно хорошо согласуется с основными положениями ротационной гипотезы. Об этом свидетельствуют одновременность процессов растяжения в Канадской котловине и сокращения с формированием покровно-складчатых структур на Северной Аляске.

Рис. 2.

Тектоническая схема Северо-Востока Азии и Северной Аляски. 1 – Сибирский кратон; 2–9 – террейны: 2 – кратонные, 3 – пассивной окраины Сибири, 4 – пассивной окраины Чукотского микроконтинента; 5 – существенно турбидитовые, 6 – островных дуг, 7 – аккреционных призм, 8 – офиолитовые и океанические; 9 – Арктической Аляски; 10 – бассейн Колвилл; 11 – Охотско-Чукотский вулканогенный пояс, 12 – кайнозойские отложения; 13 – Канадский бассейн; 14 – разрывные нарушения: а – разломы, б – надвиги. Цифрами обозначены: 1 – Южно-Анюйская сутура; 2 – сутура Кобук.

Рис. 3.

Тектоническая модель формирования структур Северной Аляски, составлена по материалам [1, 3]. 1 – субтеррейн Лонг Маунтинс, дистальные отложения; 2 – Эндикот Маунтинс субтеррейн, проксимальные отложения; 3 – субтеррейн Хаммонд карбон-нижний мел; 4–5 – террейн Коюкук: 4 – энсиматическая дуга; 5 – преддуговая часть; 6 – додевонские отложения; 7 – континентальная кора; 8 – амфиболиты и глаукофановые сланцы; 9 – симаунты и океанические плато; 10 – направление субдукции; 11 – тектонические нарушения; 12 – направление мантийного потока.

Террейн Арктической Аляски представляет собой блок континентальной коры, который в позднем девоне–юре представлял собой пассивную окраину океана Ангаючам и Арктической платформы [1, 4]. Конвергенция энсиматической дуги Коюкук с пассивной окраиной океана Ангаючам происходила в поздней юре-раннем мелу (рис. 3).

В результате образовались коллизионная сутура Кобук (рис. 2) с метаморфическими сланцами высоких давлений и низких температур и офиолитовые аллохтоны.

Мезозойские структуры арктической окраины Чукотки (рис. 2) были сформированы в результате коллизии Чукотского и Колымо-Омолонского микроконтинентов ([6, 7] и мн. др.) (рис. 4). В процессе коллизии закрылся Южно-Анюйский океанический бассейн, в тектонической истории которого выделяются два этапа [7]. В позднем палеозое-раннем мезозое это был обширный Прото-Арктический океан, который включал две ветви: Южно-Анюйскую и Ангаючам. Южная, Сибирская окраина была активной, а северная, Чукотская – пассивной (рис. 1, 4).

Рис. 4.

Тектоническая модель арктической окраины Чукотки. 1 – осадочные и осадочно-вулканогенные комплексы аккреционного и чехольного типов; 2 – континентальная кора; 3 – океаническая литосфера; 4 – подкоровая литосфера континента; 5 – метаморфические, в том числе глаукофановые сланцы; 6 – энсиматическая Кульпольнейская ремнантная дуга; 7 – верхняя мантия; 8 – вулканы; 9 – отмершая зона субдукции Кульпольнейской дуги; 10 – направление дрейфа океанической литосферы; 11 – вектор тектонических деформаций; 12 – направление мантийной конвекции.

В поздней юре-раннем мелу прекратился спрединг, и Южно-Анюйский бассейн стал заполняться турбидитами. Вдоль южной, конвергентной границы на амальгамированных террейнах Колымо-Омолонского супертеррейна образовался Олойский или Анюйско-Святоносский вулканический пояс [6, 8]. Относительно северной границы существуют разные точки зрения. В работах [8, 9] развиваются представления о Нутесынской островной дуге (поздняя юра-ранний мел), формировавшейся на краю Чукотского микроконтинента. Однако при геолого-съемочных работах [10] было установлено, что вулканогенная кораньвеемская толща, относимая предшествениками к Нутесынской островной дуге, имеет оксфорд-кимериджский возраст и является энсиматической Кульпольнейской дугой Южно-Анюйского океанического бассейна [7, 10]. Детальное геохимическое изучение вулканитов подтвердило энсиматическую природу Кульпольнейской дуги [11].

Поглощение океанической коры Южно-Анюйского бассейна как в позднем палеозое-раннем мезозое, так и в поздней юре-раннем мелу происходило вдоль конвергентной границы Сибири [5–8, 10]. На рис. 4 показаны геодинамические обстановки волжско-раннемелового времени. Энсиматическая Кульполнейская дуга к этому времени стала уже ремнантной дугой с отмершей зоной субдукции.

Очевидно общее сходство тектонических моделей Чукотки и Северной Аляски. Следует подчеркнуть, что южная вергентность зон субдукции, в которых поглощалась океаническая литосфера Южно-Анюйской и Ангаючам ветвей Прото-Арктического океана [7], тектонически согласовывается с обстановкой растяжения на краю Северо-Американского континента.

В целом корреляция тектонических событий на арктических окраинах Чукотки и Аляски хорошо согласуется с ротационной гипотезой. Достаточно отметить, что время сокращения и закрытия Прото-Арктического океана и коллизионных событий происходило одновременно с раскрытием Амеразийского бассейна, формированием складчато-надвиговых структур Чукотки и Аляски и прекращением спрединга в Канадском бассейне.

Однако простое вращение протяженной микроплиты Арктическая Аляска–Чукотка сталкивается с проблемой пространства. В связи с чем опубликованные ротационные модели по-разному объясняют положение западной границы микроплиты. Одни исследователи считают, что перемещение происходило вдоль восточного борта хр. Ломоносова, другие – вдоль Чукотского плато, а третьи – в пространстве между поднятием Менделеева и Чукотским плато. Не разбирая трудности каждой из этих моделей, остановимся только на наиболее популярной и представительной ротационной модели А. Грантца, которая разрабатывалась и уточнялась им в течение многих лет, начиная с 1977 г. Последняя версия была опубликована в 2011 г. [4].

Для того чтобы закрыть Южно-Анюйский океанический бассейн вращением микроплиты, в ее тылу должна была образоваться протяженная котловина с океанической литосферой от бассейна Макарова до Канадского бассейна. Линейные магнитные аномалии, указывающие на спрединг, ограничены только южной частью Канадского бассейна. Кроме того, в настоящее время поднятие Альфа-Менделеева, разделяющее бассейны Канадский и Менделеева, большинством исследователей рассматриваются как структура с континентальной корой. Наличие “континентального моста” между Арктической Канадой и Евразией плохо согласуется ротационной гипотезой.

ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Нам представляется, что очевидный кризис в вопросах понимания процессов эволюции литосферы Амеразийского бассейна в мезозое, характеризуемый продолжающимся до настоящего времени производством различных “авторских” моделей, не может быть разрешен в рамках чисто кинематического подхода, который применяется в этих исследованиях. При таком подходе каждый автор пытается путем кинематических схем перемещения блоков коры, сопровождаемых областями расширения или сжатия литосферы, нарисовать свою картину тектонической эволюции региона, практически отвлекаясь от анализа причин рассматриваемых движений и в лучшем случае ограничиваясь упоминанием таких расхожих геодинамических понятий, как мантийный плюм, задуговое растяжение и т.д. Поэтому выбрать из множества предложенных кинематических схем физически наиболее приемлемую не представляется возможным. В частности, упомянутая выше ротационная модель Кэри-Грантца не отвечает на простой вопрос о силах, ответственных за вращение и отрыв митрополиты Арктическая Аляска–Чукотка от окраины Северной Америки.

Преодоление данного кризиса, на наш взгляд, возможно только на пути построения количественной геодинамической модели эволюции литосферы Арктики, включающей течения вещества в верхней мантии, которые должны объяснять кинематические перемещения блоков коры и деформации литосферы. Такая геодинамическая модель эволюции для позднего мела и кайнозоя была предложена российскими учеными в последние годы в связи с необходимостью научного обоснования заявки РФ в ООН на расширение континентального шельфа в Арктике [12, 13].

Модель основана на представлении о существовании в верхней мантии под Арктикой и Северо-Восточной Азией циркуляции вещества в горизонтально вытянутой конвективной ячейке протяженностью в несколько тысяч км. В эту циркуляцию вовлечена субдуцируемая литосфера, вещество которой движется вдоль подошвы верхней мантии в сторону континента от зоны субдукции, формируя нижнюю ветвь ячейки, а замыкающая верхняя ветвь ячейки образует обратное течение вещества под литосферой в сторону зоны субдукции, что, собственно, и является движущей силой, определяющей поверхностную кинематику блоков коры и деформации литосферы. Модель основана на данных сейсмической томографии верхней мантии в области перехода от Тихого океана к Восточной Азии и Арктике [14]. Предложенная модель недавно получила очень важное подтверждение по результатам детальных геохимических исследований состава образцов пород из хребта Гаккеля, которые, как оказалось, несут отчетливые следы и метки пород коры, погружаемой в зоне субдукции, находящейся на расстоянии в несколько тысяч км, что хорошо вписывается в нашу модель циркуляции вещества в верхней мантии [15]. Необходимо отметить, что в недавней работе [16] рассматриваемая геодинамическая модель получила строгое количественное обоснование на основе решения уравнений гидродинамики вязкой жидкости для соответствующей постановки математической задачи с соответствующими граничными условиями. Поскольку новая геодинамическая модель имеет универсальный характер, ее можно применить при анализе более ранних юрско-меловых этапов эволюции Восточной Арктики, когда образовывалась Канадская котловина и закрывались Южно-Анюйский и Ангаючам палеоокеаны.

Исходя из базовой геодинамической модели [12, 13], механизм отрыва системы блоков Аляски и Чукотки от Канадской арктической окраины обусловлен действием горизонтально вытянутой конвективной ячейки в верхней мантии, которая связывает нисходящий поток вещества в крупномасштабной внутриокеанической (Врангелевской) зоне субдукции северо-западной части Тихоокеанской литосферы (рис. 1) с восходящим потоком под Канадской окраиной, объединяя в единую динамическую систему верхний и нижний горизонтальные потоки течения вещества, движущиеся в противоположных направлениях: нижний поток, включающий субдуцируемую литосферу, горизонтально течет вдоль границы верхней и нижней мантии от Врангелевской зоны субдукуции к Канадской окраине, а верхний поток, расположенный под литосферой, течет от края континента в сторону Тихого океана, вызывая за счет вязкого сцепления с подошвой литосферы развитие деформаций и смещения последней, что приводит к отрыву блоков коры от окраины континента (рис. 5, 6).

Рис. 5.

Геодинамическая модель закрытия палеоокеана Ангаючам. 1 – континентальная кора; 2 – океаническая литосфера; 3 – подкоровая литосфера континента; 4 – мантия; 5 – направление конвективных течений мантии; 6 – направление движения океанической литосферы.

Рис. 6.

Геодинамическая модель формирования структур арктической Чукотки. 1 – континентальная кора; 2 – океаническая литосфера; 3 – подкоровая литосфера континента; 4 – мантия; 5 – направление конвективных течений мантии; 6 – направление движения океанической литосферы.

В силу “выпуклой” геометрии Тихоокеанской зоны субдукции (рис. 1) возвратное течение под литосферой от Канадской окраины в сторону Тихого океана имеет двумерную расходящуюся структуру, в которой линии тока вблизи восточной Аляскинской части отрываемой полосы блоков направлены на юго-восток, а линии тока в центральной Чукотской части отрываемого сегмента окраины идут на юг, что приводит к расхождению “веером” Аляски и Чукотки в процессе движения, сопровождаемого образованием в их тылу Канадского бассейна и закрытием смежных палеоокеанов Ангаючам и Южно-Анюйского (рис. 5, 6).

Перейдем теперь к вопросам, связанным с закрытием океанов Ангаючам и Южно-Анюйского и процессами коллизии континентальных блоков Аляски и Чукотки с энсиматическими дугами, микроконтинентами (террейны Юкон-Танана, Руби) и Сибирской окраиной (Колымо-Омолонский супертеррейн). Как было отмечено выше, в ходе закрытия океана Ангаючам произошла конвергенция пассивной окраины блока Аляска с энсиматической дугой Коюкук в раннем мелу (рис. 2, 3, 5). При этом субдукция, обеспечивающая закрытие океана Ангаючам, имела падение на юго-восток. В рамках рассматриваемой нами общей геодинамической модели крупномасштабная субдукция Тихоокеанской литосферы с падением на север, достигая низов верхней мантии, переходит в горизонтальный слой, текущий в сторону Канадской окраины, образуя устойчивый нижний ярус субдукцинно-конвективной системы. Процесс закрытия палеоокеана Ангаючам (рис. 5), сопровождаемый коллизией блока Аляска с дугой Коюкук, развивается благодаря встречной субдукции литосферы с падением на юго-восток, происходящей на верхнем ярусе системы под действием возвратного течения верхнемантийного вещества.

Субдуцируемая плита верхнего яруса, достигая глубины, где доминирует устойчивое нижнее течение, поворачивает и вливается в этот поток. Таким образом, возникает двухъярусная система субдукции (рис. 5), которая разрешает основные вопросы и кажущиеся противоречия, связанные, в частности, со встречными направлениями вергентности внешней Тихоокеанской зоны субдукции, и зоны субдукции, расположенной внутри океана Ангаючам, при закрытии этого палеоокеана и коллизионными процессами. Аналогичным образом функционирует двухъярусная система субдукции при закрытии Южно-Анюйского океана и коллизии Чукотского блока с Сибирской окраиной (рис. 6), представленной Колымо-Омолонским блоком коры, для периода поздней юры-раннего мела.

В заключение хотелось бы отметить, что рассматриваемая базовая геодинамическая модель имеет универсальный характер. Вначале она была использована для объяснения процессов растяжения, происходивших в Евразийском и Амеразийском бассейнах Арктики в позднем мелу-кайнозое [12, 13], а в настоящей статье обобщенный вариант этой модели использовался для анализа более ранней стадии эволюции Амеразийского бассейна для поздней юры-раннего мела.

По мнению авторов, эта модель может быть применима как для других субдукционно-коллизионых структур с учетом региональных особенностей, так и для иных временных интервалов.