Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 508, № 2, стр. 155-163

В 2022 г. Геологическим институтом РАН был организован и проведен 53-й рейс НИС “Академик Николай Страхов” в Северной Атлантике. Основной задачей экспедиции было выполнение комплексных геолого-геофизических исследований, для получения новых данных о тектонических, магматических и гидротермально-метаморфических процессах в центральной части Срединно-Атлантического хребта (САХ) между 48° и 51.5° с.ш. к югу от разлома Чарли Гиббс на полигоне, который получил название Фарадей, по названию горы, находящейся в центральной части исследуемой области (рис. 1).

Рис. 1.

Схема расположения района работ и маршрут 53-го рейса НИС “Академик Николай Страхов”.

Сбор данных во время рейса осуществлялся одновременно многолучевым эхолотом SeaBat 7150 и профилографом EdgeTech 3300. Данные аномального магнитного поля (АМП) регистрировались при помощи магнитометра SeaPOS2 в модификации градиентометра. Опробование дна производилось драгированием. Данные работы продолжили ранее проведенные исследования структур САХ между разломами Байт и Чарли Гиббс [1–3].

До настоящего времени ничего не было известно о строении и составе коры САХ южнее 51.5° с.ш., за исключением данных по составам базальтовых стекол, поднятых непосредственно из осевой части рифтовой долины этого сегмента [4]. По результатам 53 рейса нами были составлены детальная батиметрическая карта в масштабе 1:100 000 и карта аномального магнитного поля района между 48° и 51.5° с.ш. шириной 80–90 км и протяженностью около 400 км. Был также собран обширный каменный материал (28 успешных драгировок) для дальнейшего изучения (табл. 1).

Как показал анализ морфологии рельефа дна, полигон Фарадей имеет весьма сложное, изменяющееся как в меридиональном, так и в широтном направлении строение и условно может быть разделен на три сегмента. Северный – от 51.5° до 50.2° с.ш., Центральный – между 50.2° и 49.7° с.ш. и Южный – от 49.7° с.ш. и до 48° с.ш. (рис. 2).

Рис. 2.

Схема рельефа полигона Фарадей. В виде секторов показаны соотношения поднятых пород. Изобаты проведены для глубин 2000 и 3000 м.

Северный сегмент в самой северной части характеризуется субмеридиональной рифтовой долиной глубиной 3900–3400 м и шириной 6–7 км, обрамленной к востоку и западу узкими протяженными грядами, имеющими вулканическую природу. К югу от 51.2° с.ш. морфология САХ другая. Рифтовая долина постепенно меняет простирание от 5° до 312° и распадается на систему кулисно расположенных рифтовых впадин протяженностью 10–15 км, вытянутых в меридиональном направлении и разделенных перемычками в виде коротких и узких неовулканических поднятий, некоторые из которых расположены на небольших вулканических плато изометричной формы. Высота поднятий 500–600 м. Как видно из морфологии, основная часть Северного сегмента рифтовой долины формируется в кинематических условиях косого спрединга. Результаты драгирования показали, что структуры в рифтовой долине образованы молодыми лавовыми потоками со свежим закалочным стеклом.

Грядовый рельеф к востоку и западу от рифтовой долины южнее 51.2° с.ш. резко сменяется на хаотичный, представленный как овальными, так и изометричными поднятиями, местами соединенными ветвящимися невысокими (200–400 м) хребтами, что в целом образует ячеистый рельеф. О каком-то едином простирании таких структур говорить сложно, тем не менее просматриваются отдельные субмеридиональные линейные структуры, а также структуры, простирание которых соответствует таковому рифтовой долины, которое в южном направлении меняется от 5° до 312°.

Драгирование 2 крупных овальных куполовидных поднятий (см. рис. 2) на восточном фланге САХ на широте 51.1° с глубиной вершин менее 1 км показало, что они сложены наряду с базальтами тектонизированными нижнекоровыми и верхнемантийными породами (станции S5331 и S5332). Морфология поднятий соответствует так называемым внутренним океаническим комплексам (ВОК), которые образуются в районах с редуцированным поступлением расплавов при тектоническом выведении на поверхность глубинных пород по пологим сбросам [5, 6].

У нас нет полной информации по составу пород на флангах САХ Северного сегмента, но судя по хаотичной морфологии и почти полном отсутствии системы протяженных грядовых хребтов, можно предполагать, что в строении структур этого района значительную роль играют и более глубинные породы. Таким образом, изогнутый сегмент рифтовый долины между меридиональными сегментами с учетом особенностей морфологии (по крайней мере в южной части) можно рассматривать как крупное нетрансформное смещение, в пределах которого происходит рассеянная аккомодация сдвиговых напряжений, существующих в системе океанических плит.

Переход к Центральному сегменту резкий. Простирание рифтовой долины становится 355°, что соответствует ортогональному (нормальному) спредингу. Короткий меридиональный участок рифтовой долины протяженностью 26 км и шириной 5–8 км в осевой части поднимается до глубин 3400 м (от 4100 м). К западу и востоку данный участок рифтовой долины переходит в серию близко расположенных крупных изометричных и субмеридиональных поднятий, поднимающихся до глубин 1300 м и образующих линейные хребты шириной 15–20 км, протягивающиеся по азимуту 286° (Западный) и 88° (Восточный). Эти хребты прослеживаются на расстояние соответственно 200 и 135 км, что говорит о том, что геодинамическая система, обуславливающая формирование таких структур, существует длительное время. И если простирание Восточного хребта в целом соответствует направлению спрединга (расхождение всего около 3°), то для Западного – расхождение составляет 21°. Такое расхождение может быть объяснено исходя из того, что Американская плита длительное время смещается относительно зоны генерации новой коры в области спрединга в северо-западном направлении. Это следует и из данных по современным векторам движения плит, измеренным на континентах и редких станциях на островах [7]. Вектор движения Американской плиты имеет меньший угол к простиранию оси спрединга, чем вектор Евразийской. За счет этого, в совокупности с широтным спредингом, Американская плита двигается относительно Евразийской на северо-запад. По данным драгирования Восточный хребет сложен в основном серпентинизированными и тектонизированными ультрабазитами – 70%. Габброиды составляют около 25%, базальты и долериты – 5%. В пределах Западного хребта преобладают базальты и долериты – 75%. Здесь габброиды составляют около 20%, ультрабазиты – 5%.

Далее к югу рифтовая долина резко меняет простирание на 312°, т.е. ориентирована также, как и южная часть рифтовой долины Северного сегмента. Ее ширина увеличивается до 14 км, и она распадается на несколько впадин, вытянутых в меридиональном направлении, глубиной до 4250 м, разделенных узкими, короткими (3–5 км) гребневидными поднятиями высотой 200–300 м.

По обе стороны от рифтовой долины прослеживается несколько параллельных гряд высотой 300–400 м, находящихся на выровненном (частично засыпанным осадочным материалом) ступенчатом плато с глубинами 3500–3400 м. Простирание гряд соответствует простиранию оси рифтовой долины.

Южнее 49.7° с.ш. (Южный сегмент) рифтовая долина снова становится субмеридиональной, а ее глубина и ширина уменьшаются соответственно до 3400–3800 м и 4–7 км. К востоку от рифтовой долины прослеживается система линейных гряд аналогичного простирания, местами дискордантно сочленяющихся с изометричными, иногда овальными, поднятиями, вершины которых находятся на небольших глубинах 1500–1100 м. Поднятия возвышаются над океаническим дном на 1500–1300 м. Цепочка данных структур прослеживается на восток по крайней мере на 110 км по азимуту 94–95°. При драгировании одного из таких поднятий (S5327) были подняты только серпентинизированные ультрабазиты. Особенности морфологии позволяет нам предполагать, что аналогичные структуры тоже сложены глубинными породами.

К западу от рифтовой долины имеется сходная дискордантная система поднятий, также сочетающая линейные протяженные гряды, характерные для вулканического рельефа, образованного в пределах рифтовой долины, и крупные куполовидные поднятия, имеющие, как правило, округлую или сложную изометрическую форму. В данном случае минимальная глубина одного из таких поднятий (гора Фарадей) составляет 752 м. По данным драгирования, поднятия западного фланга САХ на широте 49.6° сложены на 50–60% габброидами и на 50–40% базальтами и долеритами. Данные структуры в виде хребта прослеживаются на запад на 60 км по азимуту 277°. Западнее имеются отдельные крупные изометричные поднятия, не образующие единой протяженной линейной структуры.

Анализ данных сонарного режима многолучевого эхолота в районе горы Фарадей показал наличие сильных звукорассеивающих объектов (ЗРО) в водной толще (рис. 3).

Рис. 3.

Фрагмент сонарных данных с ЗРО над горой Фарадея. Положение горы показано на рис. 2.

ЗРО поднимаются вверх от поверхности дна к приповерхностному звукорассеивающему слою, который может иметь как гидрофизическую, так и биогенную природу. Глубинные ЗРО с донными корнями в районе САХ являются редким явлением и, возможно, обусловлены выбросом контрастных по гидрофизическим свойствам растворов из гидротермального источника. Подтверждение гидротермальной природы и связи с потенциальной рудоносностью может быть сделано только при проведении дополнительных исследований.

Далее на юг, вплоть до 48.7° с.ш. Южный сегмент представляет собой систему субмеридиональных рифтовых впадин протяженностью около 10–15 км, последовательно смещенных в восточном направлении на 6–8 км. Имеет место плавный изгиб всей рифтовой долины, в то время как рифтовые впадины и неовулканические хребты внутри рифтовой долины сохраняют субмеридиональнаую ориентировку, образуя систему кулисообразных, местами перекрывающихся, структур второго порядка. На всем протяжении сегмента к востоку и западу от рифтовой долины наблюдается сложное сочетание вулканических линейных структур и разноориентированных поднятий самой различной формы и амплитуды, вероятно, сформированных преимущественно тектоническими процессами.

Между 48.2° и 48.7° с.ш. на протяжении 55 км рифтовая долина как морфологическая структура практически отсутствует. На ее месте воздымается крупное поднятие овальной формы размером в вершинной части 6 × 14 км при глубине 1660‒1700 м, переходящее к западу и к востоку в систему линейных гряд и впадин. Здесь также имеется несколько изометричных депрессий, которые могли соответствовать ранее существовавшим рифтовым впадинам. Поднятие имеет куполовидную форму с уплощенной вершинной поверхностью. Здесь отсутствуют рифтовые гряды и, наоборот, просматриваются черты рельефа, присущие структурам ВОК. В восточной части данного поднятия были драгированы только базальты (S5319–S5321), однако, на этом фланге хорошо развиты меридиональные рифтовые гряды. Таким образом, на данном этапе исследований можно считать всю структуру, перегораживающую рифтовую долину на участке 48.3°–48.6° с.ш. и 28.1°–27.3° з.д. вулканическим поднятием, а его образование связывать с локальной термической аномалией. Поскольку данное поднятие не имеет видимого продолжения в более древних участках океанической плиты (локализовано в пределах рифтовой долины и первой и второй гряд рифтовых гор) – это молодая структура. Однако в строении его западной части, с отсутствующим рельефом рифтовых гряд, возможно, участвуют и глубинные породы, что требует дополнительного изучения. Наиболее свежие базальты были подняты на западном фланге поднятия, что позволяет предполагать, что ось спрединга в настоящее время находится в западной части рифтовой долины.

Поднятый на полигоне Фарадей каменный материал весьма разнообразен по составу, степени вторичных изменений и тектоническим преобразованиям. Вулканиты из рифтовой долины представлены обломками пиллоу-лав преимущественно микро- и мелкозернистых афировых базальтов, с закалочным стеклом. Реже отмечаются плагиофировые разности с крупными вкрапленниками плагиоклаза.

Обломки базальтов с бортов рифтовой долины отличаются тем, что имеют сглаженные края, следы вторичных изменений, а закалочное стекло в бóльшей степени палагонитизировано. Это может свидетельствовать о значительных перерывах в вулканической активности даже в пределах самой рифтовой долины. При удалении от рифтовой долины в пределы рифтовых гряд, у базальтовых обломков увеличивается как степень окатанности, так и существенно вырастает степень вторичных низкотемпературных изменений (S5332, S5331, S5330, S5317, S5329, S5328, S5306).

Долериты, как правило, поднимались совместно с фрагментами подушечных базальтов и могут быть интерпретированы либо как хорошо раскристаллизованные части относительно мощных потоков, либо как дайки подводящих каналов. Иногда долериты были драгированы совместно лишь с габброидами и ультрабазитами. В этом случае можно предполагать, что мы имеем дело с комплементарными современным лавам породами подводящих каналов, либо с центральными частями относительно мощных лавовых потоков. В то же время нельзя исключать вероятности того, что здесь мы видим фрагменты дайкового комплекса.

Породы расслоенного комплекса нижней коры (объединяемые термином габброиды) – это преимущественно крупно- и гигантокристаллические габбро, оливиновые габбро и троктолиты. Породы массивные, либо такситовые, часто неравномернозернистые с пегматоидными обособлениями. Некоторые имеют полосчатую флазер-структуру, соответствующую высокотемпературным твердопластическим деформациям. Отдельные образцы содержат и ортопироксен. Подавляющее количество габброидов преобразованы низкотемпературными метаморфическими процессами. Пироксены амфиболизированы и хлоритизированы, плагиоклаз замещен пренитом и глинистыми минералами. Породы данной ассоциации были драгированы почти повсеместно (за исключением рифтовой долины) в пределах как куполовидных поднятий, так и протяженных линейных гряд. Часто породы интенсивно тектонизированы: разбиты трещинами с зеркалами скольжения, рассланцованы и/или катаклазированы. В ряде случаев данное явление имеет черты приповерхностной дезинтеграции, с заполнением трещин органогенно-осадочным матриксом. В то же время отмечаются породы с серпентинитокластами и габбро-кристаллокластами, которые несут на себе черты тектонического катаклаза, а некоторые из них, возможно, испытали частичную перекристаллизацию в ходе этих процессов.

На поднятии с центром 51.1° с.ш. и 29.5° з.д. (станция S5331) все обломки габброидов содержат рудную минерализацию. Общее количество рудного компонента может достигать 10% от объема породы.

Ультрабазиты (мантийные перидотиты) – это в основном сильно (часто на 100%) серпентинизированные гарцбургиты и, в единичных случаях, дуниты. Породы представлены как массивными разностями, в которых хорошо видны исходные порфирокластические и гранобластовые структуры, сформированные в результате нескольких этапов вязкопластических деформаций, так и полностью рассланцованными, превращенными в хризотил-асбестовые сланцы. Для некоторых тектонизированных разностей отмечаются интенсивная лимонитизация и гематитизация. В отдельных образцах есть секущие жилы габбро. Как показало драгирование, ультрабазиты в подавляющем большинстве случаев подняты в пределах куполовидных поднятий к востоку от рифтовой долины.

Выявленные по результатам магнитной съемки аномалии (рис. 4) симметричны относительно центральной аномалии и имеют четкую корреляцию от профиля к профилю, создавая характерную последовательность линейных магнитных аномалий спрединговой природы [8].

Рис. 4.

Карта графиков аномального магнитного поля, наложенная на карту рельефа дна на полигоне Фарадей. Цифрами обозначены номера профилей съемки, белые линии – изохроны, цифры в овалах – возраст литосферы, согласно выделенным линейным магнитным аномалиям.

Центральная аномалия, соответствующая геомагнитной эпохе Брюнес (0 – 0.78 млн. лет), протягивается через весь полигон, имеет извилистое простирание, меняя азимут от строго меридионального до направлений в 315–320°. Ее положение практически повторяет изгибы рифтовой долины, что очевидно при совмещении магнитных и батиметрических данных. Конформно ей, по обе стороны рифта прослеживается аномалия 2 (отрицательная, 0.78–4.19 млн. лет), включающая в себя 2А (положительная, 2.58–3.6 млн. лет), которые имеют характерные формы и достаточно легко идентифицируются.

Проведенная идентификация аномалий позволила рассчитать скорости спрединга. В целом скорость спрединга в пределах полигона Фарадей остается стабильной и лежит в пределах 10–12 мм/год. Последнее особенно характерно для западного фланга САХ, где скорость закономерно снижается с 12 мм/год на севере до 9.7 мм/год на юге. Это свидетельствует о достаточно стабильной тектонической обстановке к западу от оси САХ. Более сложная картина наблюдается к востоку от оси САХ. Здесь несколько бóльшая (12–13 мм/год) средняя скорость раскрытия и вариативность, чем на западе.

В районе профилей 11–15 (50°–50.3° с.ш., 29° з.д.) в рифтовой долине наблюдаются заметное ослабление интенсивности и расширение центральной аномалии, а затем ее расщепление на две ветви. Возможно, здесь мы наблюдаем попытку “перескока” оси спрединга в восточном направлении примерно на 20 км, не приведшую, однако, к образованию трансформного разлома. Этим, вероятно, объясняются сниженные скорости спрединга на профилях 10 и 12. Расширение рифтовой зоны и соответственно 1-й аномалии частично “съело” часть коры, имевшей возраст и обратную намагниченность, соответствующих началу 2-й аномалии. Похожая ситуация наблюдается и на юге полигона, в районе профилей 28–32 (48.3°–48.7° с.ш., 28° з.д.).

Таким образом, сегмент САХ между 48° и 51.5° с.ш. имеет очень сложное строение. Чередуются участки, где рифтовая долина имеет меридиональное простирание с участками, где простирание рифтовой долины сменяется на северо-западное. Изгиб рифтовой долины происходит без разрыва ее сплошности, что характерно для так называемых нетрансформных смещений. Фактически все участки рифтовой долины северо-западного простирания можно рассматривать как протяженные области нетрансформных смещений, в которых реализуется аккреция океанической коры при косом спрединге. Каких-либо признаков крупных сдвигов, характерных для трансформных разломов, не наблюдается. Относительное смещение участков океанической литосферы реализуется в виде протяженных областей, которые целиком являются зонами аккомодации напряжений, возникающих при движении литосферных плит.

Основным результатом исследований является то, что впервые в Северной Атлантике был изучен сегмент САХ протяженностью около 400 км, (между 48° и 51.5° с.ш.), который характеризуется процессами образования океанической коры в условиях дефицита базальтовых расплавов, что при непрерывном растяжении в рифтовой долине приводит в ряде мест к тектоническому выведению на поверхность дна глубинных нижнекоровых и мантийных пород. Такие процессы, называемые “сухим” спредингом, описаны в участках САХ Центральной Атлантики с низкой скоростью образования новой коры [9–12], но не были известны севернее 34° с.ш.