Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 501, № 1, стр. 5-10
Образование основных тектонических структур и магматических провинций Арктики в позднем мелу-кайнозое с позиций субдукционно-конвективной модели ее эволюции
Академик РАН Л. И. Лобковский 1, 2, *, Э. В. Шипилов 3, **, Н. О. Сорохтин 1
1 Институт океанологии им. П.П. Ширшова
Российской академии наук
Москва, Россия
2 Московский физико-технический институт
Долгопрудный, Россия
3 Полярный геофизический институт
Мурманск, Россия
* E-mail: llobkovsky@ocean.ru
** E-mail: shipilov@pgi.ru
Поступила в редакцию 24.06.2021
После доработки 30.06.2021
Принята к публикации 05.07.2021
Аннотация
В рамках разработанной в последние годы в ИО РАН при участии ГИН РАН и ИНГиГ СО РАН новой геодинамической модели мел-кайнозойской эволюции Арктики, в которой основную роль играет верхнемантийная конвекция, сопряженная с Тихоокеанской зоной субдукции, предлагается механизм погружения земной коры, приводящий к образованию океанических котловин и осадочных бассейнов, а также возникновения крупных магматических провинций в Арктике. Данный механизм связан с установлением более сложного по сравнению с первоначальным вариантом режима верхнемантийной конвекции, который характеризуется, наряду с существованием длинной горизонтально вытянутой конвективной ячейки (создающей эффект конвейерного волочения литосферы), возникновением внутренних изометричным ячеек (создающих эффект верхнемантийных плюмов). Эти изометричные ячейки приводят к образованию магматических провинций, если в условиях растяжения литосферы возникают разломы, обеспечивающие излияния магмы на поверхность. Если геомеханические условия в литосфере препятствуют излиянию магматического вещества, то при остывании находящаяся в подошве утоненной литосферы магматическая линза должна испытывать фазовый переход с появлением тяжелых эклогитовых пород, что и будет приводить к образованию глубоководных котловин и глубоких осадочных бассейнов в Арктике.
В работах [1–4] была изложена новая региональная геодинамическая модель, описывающая на качественном уровне меловую и кайнозойскую эволюцию литосферы Арктики и Северо-Восточной Азии. Модель основана на представлении о существовании горизонтально протяженной конвективной ячейки в верхней мантии, сопряженной с конвейерным механизмом субдукции Тихоокеанской литосферы. Это представление возникло в результате анализа данных по сейсмотомографическому просвечиванию мантии, опубликованных в ряде работ [5, 6] для Северо-Восточной и Восточной Азии с прилегающими окраинными морями северо-западной части Тихого океана. В недавно опубликованных статьях [7, 8] предложенная субдукционно-конвективная модель эволюции Арктики получила независимое подтверждение по результатам геохимических исследований состава базальтов хребта Гаккеля, которые, как и предсказывалось ею, имеют четкий след Тихоокеанской субдукции. В работе [9] был сделан следующий шаг в разработке предложенной геодинамической модели, а именно: выполнено математическое моделирование гидродинамической системы верхнемантийной циркуляции, термомеханически связанной с процессом субдукции, на основе уравнений движения вязкой жидкости. Было построено аналитическое решение задачи и проведены численные расчеты термической конвекции, сопряженной с субдуцированной плитой, движущейся вдоль подошвы верхней мантии в сторону континента. Выполненные исследования подтвердили, что для чисел Рэлея порядка 1000 существует режим горизонтальной одноячеистой конвекции в протяженном (длиной несколько тысяч километров) верхнемантийном слое, примыкающем к зоне субдукции. Эта конвекция за счет возвратного подлитосферного течения перемещает континентальную литосферу в сторону океана, вызывая миграцию в том же направлении островной дуги. Таким образом, было получено математическое подтверждение предложенного в работах [1–4] механизма растяжения литосферы Арктики, ответственного за обширную область рифтогенеза в Амеразийском и спрединга в Евразийском бассейнах. Кроме того, математическое моделирование показало, что при увеличении значений числа Рэлея горизонтальная одноячеистая структура конвекции осложняется появлением серии изометричных ячеек, восходящие течения которых можно трактовать как верхнемантийные плюмы, приводящие к проявлению магматизма. Последний результат позволяет существенно расширить применение количественной модели эволюции литосферы Арктики, объясняя не только общий характер ее движения и деформаций (рифтогенез, спрединг и т.д.), но и возникновение хорошо известных ареалов проявления позднемезозойского базальтоидного магматизма, к которым относятся следующие магматические провинции: Баренцевоморская, Свердрупская, северная оконечность Гренландии, архипелаг Де-Лонга, а также Центрально-Арктическая, охватывающая поднятие Альфа-Менделеева, прилегающие сегменты котловин Канадской и Макарова-Подводников, север Чукотского бордерленда и его отроги [10] (рис. 1).
Следует отметить, что разработанная геодинамическая модель была нацелена, главным образом, на объяснение горизонтальных движений литосферы и возникновение магматических ареалов в Арктическом регионе и практически не затрагивала вопросов, связанных с вертикальными движениями коры и литосферы, которые, собственно, и приводят к образованию глубоководных котловин и глубоких осадочных бассейнов, а также определяют морфологически приподнятое положение магматических провинций в Арктике. Чтобы объяснить природу вертикальных движений литосферы, оставаясь в рамках разработанной геодинамической модели, ее эволюции предлагается привлечь тектоно-магматический механизм погружения коры и образования осадочных бассейнов, описанный ранее в работах [11–13]. Суть его заключается в том, что при растяжении и утонении литосферы под ее приподнятой подошвой образуется двухфазная область частично расплавленного астеносферного вещества (астеносферный выступ) с достаточно большой степенью плавления (порядка 3–5%) в силу эффекта декомпрессии и наличия небольшого количества воды в верхней мантии, существенно (на первые сотни градусов) снижающей температуру солидуса пород литосферы [14] (рис. 2а). Наличие воды в верхней мантии Арктического региона в рамках нашей концепции связано с ее поступлением вместе с водосодержащими породами океанской коры через Тихоокеанскую зону субдукции в процессе развития верхнемантийной циркуляции. Из-за вертикальной фильтрации расплава в верхней двухфазной области астеносферного выступа образуется линза расплава базальтового состава, которая в дальнейшем может привести к двум различным геодинамическим ситуациям [11–13] (рис. 2б). Если над линзой в утоненной литосфере возникнут разломы, доходящие до поверхности, то в этом случае произойдет излияние базальтов и образование магматической провинции (рис. 2в). Если такие выводящие разломы не образуются, то с течением времени при общем охлаждении базальтовая линза должна претерпеть фазовый переход в эклогитовые породы с резким увеличением плотности примерно на 0.5 г/см3 [15]. В результате появится большая дополнительная сила тяжести, которая приведет к общему погружению коры и образованию либо океанических котловин, либо осадочных бассейнов в зависимости от конкретной геодинамической обстановки (рис. 2г). Возможен и часто встречающийся промежуточный вариант, когда часть расплава поднимается в верхние этажи коры и застывает в виде интрузий, а оставшаяся в подлитосферной линзе часть базальтов превращается в эклогиты, приводя к общему погружению коры [11–13] (рис. 2д). Следует отметить, что описанный механизм, по сути, аналогичен изложенному в работе [16] механизму погружения коры за счет эклогитизации нижней части континентальной коры под действием флюидов из верхней мантии. При этом наша геодинамичесмкая модель дает четкий ответ на вопрос о происхождении воды в верхней мантии, так как в процессе верхнемантийной циркуляции за счет вовлечения в нее субдуцируемой литосферы происходит постоянный приток в мантию воды и флюидов, выделяемых из вещества частично субдуцирумой океанической коры. В принципе, можно представить, что действуют оба механизма эклогитизации и, соответственно, резкого утяжеления литосферы: 1) на нижнем мантийном уровне под утоненной литосферой эклогитизация происходит при остывании магматической линзы основного состава и 2) на верхнем коровом уровне она развивается при проникновении флюидов в нижнюю кору.
Применим описанный механизм, связанный с магматическими линзами, к Арктическому региону, рассматривая упрощенную геодинамическую ситуацию для позднемелового периода эволюции (в интервале 130–60 млн лет) с несколькими конвективными изометричными ячейками в пределах Арктического бассейна, осевые зоны которых расположены под следующими структурами в направлении с запада на восток: Баренцевоморская магматическая провинция, включающая острова Земли Франца Иосифа и Шпицбергена; котловины Макарова и Подводников; поднятие Альфа-Менделеева с обильным базальтоидным магматизмом; Северо-Чукотский осадочный бассейн с глубоко погруженным фундаментом (рис. 3а).
Интенсивность этих конвективных ячеек может меняться во времени, приводя к различным и разновозрастным тектоно-магматическим проявлениям. На осях восходящих потоков каждой ячейки, согласно нашей модели, возникают области существенно расплавленной астеносферной среды, которые венчают магматические линзы базальтового состава. Дальнейшая эволюция этих линз и расположенных над ними структур коры зависит, как было отмечено выше, от возможности и режима переноса магматического расплава в верхние структурные этажи коры. Рассмотрим эти режимы для каждой из четырех ячеек, начиная с Баренцевоморской магматической провинции. В данном случае имело место массированное излияние дериватов базальтового расплава из крупномасштабной магматической линзы в позднемезозойское время, в результате которого возникли высоко стоящие структуры коры в виде островов Земли Франца Иосифа и Шпицбергена. Однако значительная часть базальтовых расплавов осталась под утоненной литосферой и в дальнейшем в процессе остывания и метаморфизма перешла в эклогиты, что способствовало погружению коры и образованию Баренцевоморского осадочного бассейна. Вторая конвективная ячейка расположена под котловинами Макарова и Подводников, и в данном случае вещество крупной магматической линзы, несмотря на условия рифтогенеза, не смогло вылиться на поверхность. При последующем остывании литосферы оно перешло в эклогитовую фацию с большим удельным весом вещества, что привело к погружению коры и образованию этих котловин уже в кайнозойский этап развития (рис. 3б). Третья конвективная ячейка связана с широким поднятием Альфа-Менделеева, которое образовалось вследствие интенсивного излияния покровного базальтового магматизма и полного истощения подлитосферной магматической линзы, что обеспечило относительно высокое изостатическое поднятие рельефа дна (рис. 3а, 3б). Наконец, последняя, самая восточная конвективная ячейка мантии, расположенная под Северо-Чукотским осадочным бассейном, по всей видимости, привела к сильному утонению литосферы в условиях стесненного рифтогенеза (типа “пул-апарт”) и образованию значительной по объему магматической линзы в низах литосферы. Эта линза сохранила большую часть своего объема и со временем превратилось в тяжелую эклогитизированную породную ассоциацию при остывании среды, сформировав очень глубокий осадочный бассейн (рис. 3а, 3б). Отдельного рассмотрения заслуживает кайнозойский этап эволюции Арктики (рис. 3б). Он характеризуется развитием преимущественно одноячеистой структуры верхнемантийной конвекции, при которой восходящая ветвь ячейки приходится на область Евразийского бассейна, раскрывшегося в результате раскола и асимметричного спрединга литосферы, характеризуемого непрерывным излиянием магматической линзы на поверхность и ее постоянной подпиткой снизу поступающим веществом астеносферы (рис. 3б).
Таким образом, предложенная субдукционно-конвективная модель эволюции Арктики, дополненная рассмотренным здесь тектоно-магматическим механизмом вертикальных движений коры, позволяет объяснить основные закономерности эволюции литосферы Арктики в позднем мелу–кайнозое и образование присущих ей тектонических структур.
Список литературы
Лобковский Л.И., Вержбицкий В.Е., Кононов М.В., Шрейдер А.А., Гарагаш И.А., Соколов С.Д., Тучкова М.И., Верниковский В.А. Геодинамическая модель эволюции Арктического региона в позднем мезозое-кайнозое и проблема внешней границы континентального шельфа России // Арктика: экология и экономика. 2011. № 1 (1). С. 104–115.
Лаверов Н.П., Лобковский Л.И., Кононов М.В., Добрецов Н.Л., Верниковский В.А., Соколов С.Д., Шипилов Э.В. Геодинамическая модель развития Арктического бассейна и прилегающих территорий для мезозоя и кайнозоя и внешняя граница континентального шельфа России // Геотектоника. 2013. № 1. С. 3–30.
Лобковский Л.И., Шипилов Э.В., Кононов М.В. Геодинамическая модель верхнемантийной конвекции и преобразования литосферы Арктики в мезозое и кайнозое // Физика Земли. 2013. № 6. С. 20–38.
Лобковский Л.И. Тектоника деформируемых литосферных плит и модель региональной геодинамики применительно к Арктике и Северо-Восточной Азии // Геология и геофизика. 2016. Т. 57. № 3. С. 476–495.
Zhao D. Global Tomographic Images of Mantle Plumes and Subducting Slabs: Insight into Deep Earth Dynamics // Phys. Earth Planet. Int. 2004. V. 146. № 1. P. 3–34. https://doi.org/10.1016/J.Pepi.2003.07.032
Zhao D., Tian Y., Ley J., Liu L., Zheng S. Seismic Image and Origin of the Changbai Intraplate Volcano in East Asia: Role of Big Mantle Wedge above the Stagnant Pacific Slab // Phys. Earth Planet. Int. 2009. V. 173. P. 197–206. https://doi.org/10.1016/j.pepi.2008.11.009
Richter M., Nebel O., Maas R., Mather B., Nebel-Jacobsen Y., Capitano F., Dich H., Cawood P. An Early Cretaceous Subduction-modified Mantle underneath the Ultraslow Spreading Gakkel Ridge, Arctic Ocean // Science Advances. 2020. 6:eabb4340 https://doi.org/10.1126/sciadv.abb4340
Yang A., Langmuir C., Cai Y., Goldstein S., Michael P., Chen Z. The Subduction Influence on Ocean Ridge Basalts and its Significant // Research Square. 2021. https://doi.org/10.21203/rs.3rs-132754/v1
Лобковский Л.И., Рамазанов М.М. Исследование конвекции в верхней мантии, термомеханически связанной с зоной субдукции, и ее геодинамические приложения для Арктики и Северо-Восточной Азии // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2021. № 3. С. 139–150.
Шипилов Э.В., Лобковский Л.И. Позднемезозойский плюмовый магматизм Арктического региона: геохронология, фазы и геодинамические обстановки проявления. //Арктика: экология и экономика. 2016. № 2 (22). С. 72–81.
Лобковский Л.И., Исмаил-Заде А.Т., Наймарк Б.М. и др. Механизм погружения земной коры и образования осадочных бассейнов // ДАН. 1993. Т. 330. № 2. С. 256–260.
Lobkovsky L.I., Volozh Yu.A., Cloeting S., et al. Extensional Basins of the Former Soviet Union – Structure, Basin Formation Mechanisms and Subsidence History // Tectonophysics. 1996. V. 266. № 1–4. P. 251–285.
Lobkovsky L.I., Ismail-Zadeh A.N., Krasovsky S.S., et al. Gravity Anomalies and Possible Formation Mechanism of the Dnieper-Donets Basin // Tectonophysics. 1996. V. 268. P. 281–292.
Litasov K.D., Shatskiy A. Carbon-bearing Magmas in the Earth’s Deep Interiors. Chapter 2. P. 43–71. In: Magmas under Pressure. Advances in High-pressure Experiments on Structure and Properties of Melts.Ed. by Y. Kono, C. Sanloup. Elsevier. 2018.
Ringwood A.E., Green D.H. An Experimental Investigation of the Gabbro-eclogite Transformation and Some Geophysical Implications // Tectonophysics. 1966. V. 3. P. 383–427.
Артюшков Е.В., Поселов В.А. Образование глубоководных впадин в Российском секторе Амеразийского бассейна в результате эклогитизации нижней части континентальной коры // ДАН. 2010. Т. 431. № 5. С. 680–684.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле