Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 510, № 2, стр. 134-141

Глубоководный Амеразийский бассейн (АБ) является наиболее древней частью Арктического бассейна Северного Ледовитого океана, в тектоническом строении которого отразились все этапы его многоступенчатого развития. Он включает ряд крупных подводных котловин и поднятий (рис. 1), в составе двух выделенных по тектоническим критериям – Северо- и Южно-Амеразийских доменов [1]. В Северо-Амеразийский домен входит система подводных поднятий хребет Альфа – поднятие Менделеева, с примыкающими к ней котловинами – Альфа, Макарова, Наутилус, Подводников, Стефанссона, Толля и Северо-Чукотским прогибом, а также Чукотский бордерлэнд и, предположительно, блок земной коры, включающий поднятия Север и Пири. Главная особенность этого домена – охват почти всех входящих в него геоструктур высокоамплитудным знакопеременным аномальным магнитным полем, связываемым с Высокоширотной крупной арктической магматической провинцией (High Arctic Large Igneous Province – HALIP). Южно-Амеразийский домен представлен Канадской котловиной.

Рис. 1.

Новая тектоническая схема Амеразийского бассейна. АМРЗ – Альфа-Менделеевская разломная зона, АЧРЗ – Альфа-Чукотская разломная зона, ПМ – поднятие Менделеева, ХА – хребет Альфа, ХЛ – хребет Ломоносова, ЧБ – Чукотский бордерлэнд.

Рис. 1.

Окончание

Чукотский бордерлэнд, пожалуй, единственная геологическая структура (геоструктура) в АБ, генезис которой не вызывает фундаментальных разночтений. Общепризнано, что он подстилается континентальной корой мощностью до ~35 км, подвергшейся рифтогенезу с формированием в его пределах одноименных купола и поднятия, а также хребта и бассейна Нортвинд [2]. Происхождение остальных перечисленных выше гео- структур и история их тектонического развития являются объектом непрекращающихся научных споров. Основная причина многообразия опубликованных моделей тектонического строения и эволюции АБ заключается в его слабой геолого-геофизической изученности в силу суровых ледовых условий. На наш взгляд, большинство моделей в настоящее время либо не подтверждаются всей совокупностью накопленных фактов, либо являются умозрительными.

Целью настоящего исследования являлось построение новой тектонической модели АБ, как по масштабу, так и по содержанию, максимально соответствующей всему объему накопленных геолого-геофизических данных. Вначале эти данные были систематизированы авторами в виде структурированного массива, включающего как исходную фактическую информацию (сейсморазведка МОВ ОГТ, ГСЗ, потенциальные поля, геологическое опробование, тепловой поток, батиметрия), так и опубликованные интерпретационные материалы (структурные, тектонические, эволюционные схемы). Дальнейшая работа включала ряд подготовительных этапов: уточнение результатов районирования новейших цифровых моделей (ЦМ) потенциальных полей; интерпретацию массива из 68 глубинных и 170 временных разрезов МОВ ОГТ; построение представительных 2D-геолого-геофизических моделей глубинного строения АБ; уточнение ЦМ мощности осадочного чехла [3] и ее перерасчет в ЦМ поверхности фундамента с использованием ЦМ рельефа дна IBCAO v.4.0; актуализацию ЦМ рельефа раздела Мохо и ЦМ мощности земной коры, созданным по результатам 3D-гравитационного моделирования [4].

Подробное описание методик интерпретации геолого-геофизических данных при решении задачи установления особенностей тектонического строения СЛО, карты потенциальных полей, примеры сейсмических разрезов и результаты моделирования приведены в наших работах [5, 6]. Отметим лишь, что используемые методические приемы традиционны для региональных работ на акватории и что основой для всех построений служат данные сейсморазведки. Основной этап работы состоял в создании двух схем: схемы районирования фундамента масштаба 1:10 000 000 (готовится к публикации) и представленной в данной статье тектонической схемы АБ в масштабе 1:2 500 000 (далее – схемы, на рис. 1 показан ее упрощенный вариант), с соответствующей легендой. Схема создана в ГИС Arc Map на основе комплексной интерпретации результатов настоящего исследования, с учетом результатов ранее выполненных работ [5, 6].

Основу схемы составляет структурный каркас (показан разными цветами и их оттенками), отражающий природу и строение фундамента Амеразийского бассейна. Каркас был разработан по результатам картирования поверхности фундамента на разрезах МОВ ОГТ, ее детализации по данным потенциальных полей и результатам трехмерного гравитационного моделирования по расчету глубин раздела Мохоровичича и мощности консолидированной части земной коры (методика моделирования и результаты описаны в [4], информация по актуализированной версии моделей готовится к публикации). Вначале была создана ЦМ поверхности фундамента бассейна. За основу взята международная ЦМ мощности осадочного чехла в СЛО [3]. Эта модель была нами детализирована результатами интерпретации положения фундамента на разрезах МОВ ОГТ в области, где за последние годы в ходе отечественных экспедиций собран наибольший объем этих данных (рис. 2 а). Далее сложением с ЦМ рельефа морского дна получена уточненная модель фундамента (рис. 2 б). Вследствие очень слабой и неравномерной изученности СЛО сейсморазведкой МОВ ОГТ, данная модель описывает лишь региональные особенности строения фундамента. В то же время локальные особенности рельефа данной поверхности отражены в потенциальных полях, изученных существенно лучше. Таким образом, используя созданную ЦМ фундамента для картирования на площади Амеразийского бассейна (структура I ранга) структур II и III рангов, а данные потенциальных полей с опорой на разрезы МОВ ОГТ – для картирования структур III и более низких рангов (локальных структур) – в ГИС был создан структурный каркас схемы. Этот каркас отражает относительное гипсометрическое положение структурных элементов поверхности фундамента в пределах структур всех рангов.

Рис. 2.

Базовые цифровые модели глубинных разделов Амеразийского бассейна, положенные в основу тектонической схемы: а) картограмма использованных материалов для создания модели рельефа фундамента; б) рельеф фундамента; в) рельеф раздела Мохоровичича; г) мощность консолидированной части земной коры. Условные обозначения к картограмме: 1 – использована ЦМ мощности осадочного чехла [3]; 2 – область, уточненная по результатам интерпретации разрезов МОВ ОГТ в рамках настоящего исследования; 3 – ЦМ фундамента в Евразийском бассейне (публикация готовится).

Вышеупомянутые расчетные цифровые модели рельефа раздела Мохо (рис. 2 в) и мощности консолидированной части земной коры (рис. 2 г), вкупе с результатами 2D-гравимагнитного моделирования и комплексной интерпретации данных, использовались для установления генезиса структур района исследований. Для его отображения на схеме используются базовые цвета, соответствующие блокам нормальной и гипер-растянутой континентальной коры, а также коры переходного и океанического типа. Три оттенка каждого цвета указывают на относительное гипсометрическое положение (низкое, среднее, высокое) структурных элементов (локальных гео-структур) в пределах отдельных блоков, согласно созданному структурному каркасу. Наиболее темным оттенкам соответствуют погруженные элементы (прогибы, рифты, троги, котловины), наиболее светлым – приподнятые элементы (горсты, поднятия, отроги, хребты), средним – элементы с промежуточным положением в блоке. Помимо этого, на схеме показаны: границы выделенных региональных геоструктур трех рангов; оси линейных магнитных аномалий; разрывные нарушения двух рангов (сбросы, взбросы/надвиги, сдвиги, пассивные разломы, разломы с неустановленной кинематикой); область распространения HALIP и область деформаций, связанных с Бофортским складчатым поясом [7] в Канадской котловине; рельеф океанического дна (псевдотеневой рельеф); положение бровки шельфа, древних вулканов и глубоких скважин. Ниже приведено краткое описание схемы, отмечены ее основные отличия от ранее опубликованных тектонических схем АБ.

Южно-Амеразийский домен полностью занимает Канадская котловина. В ней выделяют центральную часть с океанической корой (MORB-зона) и отмершим центром спрединга (Амеразийский хребет) и фланговые части c корой переходного типа (OCT-зоны, от англ. ocean/continent transition) [2]. В южной части котловины осадочный чехол частично затронут деформациями Бофортского складчатого пояса (Beaufort Foldbelt) [7], начавшимися на рубеже верхнего палеоцена и закончившимися в олигоцене [8].

Центральная часть Канадской котловины веерообразно расширяется из района моря Бофорта до ~79° с.ш., от ~130 до ~500 км. В ней установлены две системы разрывных нарушений. Первая включает сбросы, ограничивающие гряды гор, субпараллельных рифтовой долине Амеразийского хребта. Вторая представлена поперечными малоампмлитудными сдвигами (трансформными нарушениями) и разломами с неустановленной кинематикой. Их дугообразная форма на схеме соответствует модели веерообразного раскрытия (сфенохазма) этой части котловины относительно полюса, расположенного близ дельты р. Маккензи. Эту модель подтверждают и линейные магнитные аномалии, расположенные симметрично относительно оси хребта; по ним время раскрытия большинством исследователей рассматривается как неокомское (~142–126 млн. лет назад) [2, 9]. Важным новшеством на схеме является гипотетическое продолжение Амеразийского хребта в западную часть котловины Наутилус, основанное на результатах комплексного анализа новейших цифровых данных МОВ ОГТ [10] и данных потенциальных полей. Нерешенным пока остается вопрос о характере сочленения спредингового центра в Канадской котловине с центром растяжения в котловине Стефанссона. Рассматриваются два варианта: существование в северной части Канадской котловины точки тройного сочленения океанических хребтов [11] или первичное раскрытие котловины Стефанссона с последующим перескоком центра растяжения в котловину Наутилус на заключительном этапе формирования Канадской котловины. Кроме этого, загадочным объектом в котловине, включенным на схеме в ее центральную часть, остается система рифтов 78°. По результатам интерпретации разрезов МОВ ОГТ [10] эта система представляется сформированной в результате наиболее поздних активных тектонических движений в котловине, что пока сложно увязать с ее пространственным положением в стороне от спредингового Амеразийского хребта.

Фланговые OCT-зоны Канадской котловины характеризуются потенциальными полями, в структуре которых явных локальных особенностей и закономерностей установить не удается, интенсивные локальные аномалии отсутствуют. На основе комплексной интерпретации геофизических данных, с акцентом на данные сейсморазведки, большинство современных исследователей полагают, что ОСТ-зоны подстилаются либо гипер-растянутой континентальной корой или породами серпентинизированной мантии (например, [2, 12]). Однако указанные свойства потенциальных полей, характерное заглубление кровли фундамента от оси Амеразийского хребта в сторону окраин (за исключением района сопряжения с Чукотским бордерлэндом), малая мощность консолидированной коры (3–9 км) – эти признаки, на наш взгляд, указывают на возможность океанического происхождения коры этих зон (как и MORB-зоны), что и предполагалось исследователями в XX веке и начале нынешнего века (например, [13]). Вместе с тем на площади ОСТ-зон отсутствуют очевидные полосовые магнитные аномалии, присущие коре океанического типа. Возможно, это связано с глубоким расположением магнитоактивных источников, перекрытых мощным осадочным чехлом. Учитывая приведенные аргументы, на обсуждаемой схеме ОСТ-зоны Канадской котловины на данном этапе исследования показаны как зоны с переходной корой, без уточнения ее природы.

В Северо-Амеразийском домене центральное положение занимают хребет Альфа (ХА) и поднятие Менделеева (ПМ), образующие единую систему поднятий (ХА-ПМ) протяженностью более 1500 км, при ширине от ~200 до ~400 км. ХА наименее изучен, главным образом, в силу самых суровых ледовых условий в регионе. Оба поднятия имеют сложное тектоническое строение. В центральных частях они включают в себя большое количество локальных поднятий и впадин, хорошо выраженных в рельефе морского дна. На разрезах МОВ ОГТ большинство локальных структур ограничено сбросами, т.е. представляет собой горсты и грабены. Их ориентировка меняется в пространстве, что позволяет судить о направлениях древних растягивающих напряжений, выявлять зоны сдвигов и блоковое строение геоструктур. В пределах поднятий и смежных котловин рассматриваемого домена распространен комплекс пород HALIP. По совокупности фактов, ХА и ПМ, обладают сходными геофизическими характеристиками, указывающими на их сингенетичность. На схеме они показаны в качестве блоков нормальной (умеренно утоненной) континентальной коры, мощность которой варьирует от ~32 км в центральных частях, до ~20 км на флангах обеих геоструктур.

Хребет Альфа характеризуется единым стилем тектонического строения, выраженным в упорядоченности линейных структур в пределах его блоков. Он состоит из блоков коры, включающих протяженные, по-разному ориентированные системы горстов и грабенов, прерывающихся поперечными нарушениями, в том числе – и сдвигами. Встречаются также поднятия изометричной формы, часть из которых, по-видимому, является древними вулканами. В пределах хребта выделено два крупных блока – Западное плато и основной (восточный) блок хребта. В последнем особое положение занимает долина Альфа, обрамленная симметричными горстами. Ориентировка горстов и грабенов вблизи долины Альфа субширотная. На восточной границе хребта, вблизи Северо-Американской окраины, и те, и другие резко обрываются. Характер зоны сопряжения данной окраины и геоструктур АБ между 40° и 110° з.д. достоверно не установлен, в силу отсутствия здесь данных МОВ ОГТ. На схеме в этой зоне показана полоса гипер-растянутой континентальной коры, включающей в свой состав комплекс пород HALIP. Вдоль склона окраины концептуально показан нормальный сброс, хотя ряд исследователей предполагают здесь наличие крупного сдвига [2].

На северном фланге хребта Альфа располагается котловина Альфа, отделяющая его от хребта Ломоносова. В своем строении она наследует тектонический стиль одноименного хребта. В южной и западной частях основного блока хребта простирание линейных структур плавно меняется с широтного на СВ–ЮЗ, вплоть до субмеридионального. В районе отрога Наутилус, являющегося самой южной частью ХА, горсты и грабены выстроены в субмеридиональном направлении, аналогичном таковому у структур смежной северной части Канадской котловины.

Вблизи границы основного блока ХА и его Западного плато наблюдается существенно разная ориентация линейных структур – субмеридиональная и субширотная соответственно. Здесь установлена Альфа-Чукотская разломная зона (АЧРЗ) [6], прослеженная по указанной границе до северной точки отрога Хили Чукотского бордерлэнда. Рассматриваются два варианта образования АЧРЗ: 1) в качестве сдвиговой зоны при раскрытии котловин Макарова и Наутилус, левостороннем смещении блока Западного плато относительно основного блока ХА; 2) в качестве древнего, палеозойского шва.

В пользу первого варианта свидетельствуют более значительные ширина и степень утонения коры котловины Макарова в сравнении с котловиной Альфа, расположенной к востоку от продолжения данной разломной зоны. Амплитуда сдвига в пределах ХА вдоль этой зоны вряд ли превышала 100 км. Субширотная система горстов и грабенов Западного плато ХА резко обрывается у его западного края, на границе с котловиной Подводников.

У поднятия Менделеева, имеющем в плане вытянутые, близкие к ромбоидальным очертания, единый тектонический стиль отсутствует. Протяженных локальных линейных структур здесь практически не наблюдается, преобладают близкие к изометричным поднятия и впадины. Само поднятие можно разделить на две части – северную, включающую область небольших по размеру локальных поднятий и впадин и южную, представленную более крупными блоками – плато Сарго и Арлис. Тектоническая структура ПМ подробно описана нами в работе [5], а на схеме она представлена с небольшими уточнениями, касающимися положения тектонических нарушений. Данные МОВ ОГТ однозначно свидетельствуют о рифтогенном происхождении структурообразующей поверхности ПМ, а также, наряду с аномальным магнитным полем, указывают на наличие здесь покрова пород HALIP [14]. Преобладающие ориентировки тектонических нарушений ПМ – субмеридиональная для сбросов и СЗ–ЮВ – для поперечных нарушений, представленных нормальными сбросами и сбросо-сдвигами. В области сочленения ХА и ПМ выделена мощная Альфа-Менделеевская разломная зона (АМРЗ), с предполагаемой амплитудой левостороннего сдвига до 320 км [6].

Кратко остановимся на структуре котловин, прилегающих к системе поднятий ХА-ПМ. Характерно, что их осадочный чехол на разрезах МОВ ОГТ представлен в большинстве случаев только пострифтовым комплексом. Лишь на отдельных современных разрезах удается зафиксировать наличие, реже структуру, синрифтовых отложений, а также наличие комплексов SDRs (seaward-dipping reflectors – наклоненные в сторону моря рефлекторы) [1]. Это объясняется высокой акустической жесткостью пород синрифтового комплекса, связанных с HALIP. Поэтому структурообразующие тектонические нарушения в котловинах, за исключением их бортовых зон, практически не проявлены на разрезах МОВ ОГТ. Трассировка предполагаемых разрывных нарушений возможна лишь по данным потенциальных полей. Указанные наблюдения справедливы в отношении котловин – Альфа, Макарова, Подводников, Наутилус, Стефанссона, Толля и Северо-Чукотского прогиба, что свидетельствует об их квазисинхронном образовании в результате рифтогенеза, сопряженного с интенсивным магматизмом.

В пределах котловин Альфа и Макарова установлены протяженные линейные структуры, ориентированные параллельно простиранию хребта Ломоносова и склону ХА, включая узкие отрог Марвин и бассейн Марвин. Котловина Макарова подстилается тонкой (7–12 км) земной корой. При этом явная система линейных магнитных аномалий, характерных для котловин океанического типа, в ее пределах отсутствует.

Котловина Подводников от упомянутых выше котловин отличается наибольшими размерами (~320 км по ширине) и отсутствием в центральной части субпараллельных ее бортам линейных структур: последние имеют косую СЗ–ЮВ ориентировку, сходную с простиранием АМРЗ и поперечных нарушений в пределах смежных блоков ХА и ПМ. В северной части котловины, в районе седловины Толля, мощность консолидированной коры составляет ~20 км, а в южной ее части уменьшается до ~8 км. Вдоль границы с хребтом Ломоносова в котловине протягиваются узкие линейные структуры – трог и отрог Геофизиков. Данный факт, наряду с наличием листрических сбросов в бортах котловин Альфа, Макарова и Подводников, субпараллельностью флангов разделяемых ими структур, указывают на формирование этих котловин в результате рифтогенеза континентальной коры в условиях транстензии, при отодвигании системы поднятий ХА-ПМ от хребта Ломоносова. Кроме этого, присутствие в бортовых частях котловин признаков синрифтовых вулканогенно-осадочных отложений и комплексов SDR [16], охват их площадей магнитным полем HALIP – все вместе позволяет сделать вывод, что рифтогенез сопровождался обильным магматизмом. Данная обстановка могла способствовать гипер-растяжению континентальной коры, без нарушения ее сплошности (за счет нижней коры) и инициации спрединга океанической коры – обстоятельств, косвенно устанавливаемых на основе имеющихся геофизических данных. Основываясь на этом заключении, на схеме в основании котловин Альфа, Макарова и Подводников показана гипер-растянутая континентальная кора.

Котловины Наутилус, Стефанссона и Толля также образовались по вышеописанному сценарию, т.е. на месте участков земной коры, подвергшихся наибольшему утонению при континентальном рифтогенезе, только на противоположном фланге системы поднятий ХА-ПМ. Это следует из присущего им сходного набора установленных геолого-геофизических характеристик. Котловина Стефанссона разделяет южный фланг ХА и блок поднятий Пири и Север. Группы линейных структур в пределах этих поднятий идентифицируются в качестве горстов и грабенов, простирания которых (СВ-ЮЗ) субпараллельны ориентировкам аналогичных структур в самой котловине и на смежном фланге ХА. В аномальном магнитном поле южной части котловины наблюдается серия полосовых интенсивных протяженных (~250 км) магнитных аномалий обоих знаков, что может свидетельствовать о достижении здесь в процессе рифтогенеза земной коры стадии спрединга [15], что и отражено на схеме.

Котловину Наутилус, расположенную между хребтом Альфа и Чукотским бордерлэндом, можно разделить на две части – восточную, характеризующуюся большими глубинами дна и минимальной толщиной консолидированной коры (~8 км), и западную, с меньшими глубинами дна и корой большей мощности (~14 км). Внутри котловины намечены поперечные нарушения, параллельные простиранию крупных разломных зон, выделенных в пределах поднятий ХА-ПМ. Учитывая перечисленное, а также установленный нами факт продолжения спрединового Амеразийского хребта в западную часть котловины Наутилус, логично предположить, что западная и восточная части этой котловины подстилаются океанической и гипер-растянутой корой соответственно. Котловина Наутилус возникла в результате отодвигания Чукотского бордерлэнда совместно с ПМ от хребта Альфа. Во время раскрытия котловины ее западным ограничением служила АМРЗ, а расположенная близ ее восточной границы АЧРЗ, на поздней стадии, с началом спрединга, вероятно, имела здесь продолжение в качестве левостороннего трансформного разлома. В ходе упомянутого отодвигания между поднятием Менделеева и бордерлэндом возникла (или активизировалась) ослабленная зона, развившаяся в узкий трог Чарли и небольшую, расширяющуюся к югу котловину Толля.

Северо-Чукотский прогиб расположен к югу от ПМ и занимает обширную площадь между Чукотским бордерлэндом и поднятием Де Лонга. Мощность осадочного чехла в его пределах достигает 22 км при едином структурном стиле, соответствующем пострифтовым отложениям. Наблюдаемые в его толще разрывные нарушения возникли на стадии общего погружения, либо в периоды незначительных кайнозойских активизаций [16]. Достоверно установить древние, структурообразующие нарушения в центральной части прогиба, как и в других котловинах АБ, не удается. По совокупности имеющихся данных нами предполагается, что прогиб возник в условиях гипер-растяжения континентальной коры. Учитывая факт экстремальной мощности накопленных в нем отложений – возможно, он заложился на месте гипотетической сдвиговой правосторонней Подводников-Менделеевской разломной зоны (ПМРЗ) [6], действовавшей вначале фазы дезинтеграции континентальных блоков.

Выявленные особенности тектонического строения Северо-Амеразийского домена АБ указывают, что эволюция его геоструктур происходила в условиях континентального рифтогенеза. Процесс начался с воздымания обширного региона прежде единого древнего континентального блока (Арктиды) и пикового излияния магмы с формированием покрова платобазальтов HALIP на границе баррема-апта (~125 млн. лет назад) [11, 17]. Воздымание было инициировано мантийным плюмом, природа которого дискуссионна (например, [18, 19]). Далее, в апте-альбе, последовало растяжение литосферы и последующая дезинтеграция Арктиды по ослабленным зонам на отдельные геострукутуры, также сопровождавшееся обильным магматизмом (например, [1]). В результате была сформирована система поднятий ХА-ПМ и смежных котловин рассматриваемого домена. Для описания истории формирования этой системы применима модель сопряженных вулканических пассивных окраин [20]. В ее рамках поднятия эволюционируют как центральные блоки (С-Blocks), окруженные истонченной (гипер-растянутой) континентальной корой. В пользу такой модели, помимо вышеуказанных тектонических особенностей, свидетельствуют факты фиксации SDR-комплексов [1], а также высокоскоростных нижнекоровых тел (HVLC bodies). Продолжение древнего центра спрединга – Амеразийского хребта в пределы котловины Наутилус – свидетельствует, что формирование MORB-зоны Канадской котловины происходило квазисинхронно с появлением остальных котловин Северо-Амеразийского домена АБ, возможно – за исключением котловины Стефанссона. Однако оценки времени раскрытия MORB-зоны (не позднее ~126 млн лет назад) [2, 9] вступают в противоречие с предполагаемым возрастом формирования платобазальтов HALIP, предшествующего дезинтеграции Арктиды (~125 млн лет назад), что требует дальнейшего изучения.