Океанология, 2020, T. 60, № 1, стр. 125-137

ЮЖНОЕ ПОЛУШАРИЕ ЗЕМЛИ

В южном полушарии мы проанализировали распределение теплового потока вдоль пяти геотраверсов: 1) Анголо-Бразильский геотраверс (12° ю.ш.), 2) геотраверс вдоль 31° ю.ш. – в Атлантическом океане; 3) геотраверс 15° ю.ш. – в Тихом океане, а также геотраверсы в Индийском океане: 4) южная часть котловины Крозе-Мозамбикская котловина и 5) северная часть котловины Крозе-Мадагаскарская котловина (см. рис. 1).

Атлантический океан. Большинство геотермических данных по Анголо-Бразильскому геотраверсу (№ 1) было получено во время многолетних экспедиционных геолого-геофизических исследований ВНИИОкеангеология [5, 8, 10, 12].

В пределах Анголо-Бразильского геотраверса выполнены детальные измерения теплового потока, гравитационного и магнитного полей, рельефа дна, проведен большой объем сейсмических исследований.

Морфоструктура дна вдоль геотраверса подчиняется традиционной схеме строения трансокеанических структур [7]. В центральной части геотраверса располагается Срединно-Атлантическое поднятие, по обе стороны от которого лежат абиссальные плиты (Ангольская и Бразильская котловины) и сопряженные с плитами окраинно-материковые флексуры (Африканский и Южно-Американский континентальные склоны с подножьями) (рис. 2). Перечисленные структуры первого порядка осложнены системой подчиненных и наложенных морфоструктур: выделяются мозаично-ячеистые и линейно-грядовые поднятия, плато, троги, вулканические постройки центрального типа. Несмотря на плавные в целом сопряжения структур, продольные относительно срединного хребта зоны контактируют по сбросам. Исходя из ландшафтных характеристик (размер, амплитуда, выдержанность ориентировки), отмечается асимметрия крыльев срединного поднятия: при формировании базальтового ложа тектоно-магматическая деятельность наиболее интенсивно проявилась на западном “бразильском” крыле [8].

Рис. 2.

Рельеф дна (а) и тепловой поток (б) вдоль Анголо-Бразильского геотраверса.

Строение магнитного поля западного и восточного флангов поднятия также асимметрично. Аномалии западного фланга отличаются относительно повышенной интенсивностью (до 150 нТл) и более выдержанной линейностью. Они хорошо идентифицируются до 33-й аномалии включительно. Аномалии восточного фланга характеризуются сглаженным (до 100 нТл) знакопеременным фрагментарно линейным полем, и корреляция здесь весьма условна [5]. Асимметрия в строении аномального магнитного поля западного и восточного флангов срединного поднятия устанавливается и на геомагнитном разрезе: поверхность нижних кромок намагниченных тел на западном фланге не опускается глубже 12 км, а на восточном достигает 20 км от поверхности океана.

По данным МОВ ОГТ отмечается существование структурных швов, захороненных под осадочным чехлом. На сейсмическом разрезе они выражаются в виде мощного рефлектора, проходящего через всю кору и смещающего поверхность Мохо. Хотя эти швы не выражены ни в рельефе дна, ни в гравитационном поле, в структурном плане они также дают основание предположить асимметрию обусловивших их тектонических процессов. На “Ангольском шве” наблюдается надвигание океанической литосферы по поверхности палеоконтинентального склона в сторону континента, а на “Бразильском” – листрическое сползание.

Наблюдаемая асимметрия в глубинной структуре склонов и абиссальных котловин вдоль геотраверса, а также в магнитном поле связана, естественно, с различием в энергетике геодинамических процессов, о чем можно судить на основании анализа геотермических данных. При статистической обработке и расчету критерия Крамера-Вэлча они показали значимое различие теплового потока по разные стороны САХ. Так, средний тепловой поток западнее САХ составляет 62 мВт/м², а восточнее – 39 мВт/м² (табл. 1).

Обсуждая причины геотермической асимметрии хребта, можно в первом приближении согласиться с авторами работы [8], которые объясняют ее “…отсутствием единого механизма формирования океанической литосферы” (стр. 21), но полученные нами результаты заставляют предположить наличие дополнительных глубинных термических источников, которые обусловили повышение теплового потока на западном фланге хребта в полосе геотраверса.

Можно предположить или наличие разной мощности литосферы с западной и восточной стороны хребта (в этом случае в стационарном геотермическом поле сохранятся различия фоновых значений теплового потока), или действие нестационарных и более поздних геодинамических процессов, изменивших термическую структуру уже сформировавшейся океанской литосферы.

Первое из наших предположений не согласуется с независимыми геофизическими результатами, полученными при изучении геотраверса, а также с оценками мощности литосферы по данным о батиметрии дна [6]. Второе предположение более реально, т.к. структурная неоднородность и наличие наложенных тектонических процессов в сформировавшейся литосфере подтверждается данными гравиметрии [1], магнитометрии и сейсмического профилирования.

Геотраверс вдоль 31° ю.ш. протягивается от Капской котловины на востоке до Плато Риу-Гранди – на западе Атлантического океана. В полосе геотраверса¹¹ имеется 6 измерений западнее САХ и 27 измерений – восточнее. Применив ту же методику сравнения данных, мы рассчитали, что средний тепловой поток западнее САХ составляет 91 мВт/м², а восточнее – 61 мВт/м², т.е. пришли к аналогичному результату: западный фланг САХ на геотраверсах южного полушария в Атлантике обладает более высоким тепловым потоком (см. табл. 1).

Как было анонсировано выше, мы обсудим более общие и универсальные модели для объяснения наблюдаемой асимметрии теплового потока после характеристики всех геотраверсов.

Тихий океан. В южном полушарии Тихого океана мы рассмотрели один геотраверс, пересекающий ВТП по 15° ю.ш. ВТП представляет одно из главных звеньев глобальной цепи срединно-океанических хребтов. В юго-восточной части Тихого океана оно служит границей между литосферной плитой Пацифик на западе и плитами Антарктической, Чилийской, Наска и Кокос на востоке. Морфологически поднятие выражено в виде широкого (1000–1200 км) вала с пологими склонами, расчлененными на крупные и мелкие глыбы, среди которых высятся отдельные подводные вулканические горы или вулканические массивы. Параллельно главной оси ВТП иногда встречаются глыбово-вулканические поднятия относительно небольшой протяженности. Гребень ВТП располагается на глубинах 2–3 км, и лишь несколько отдельных вулканов поднимаются до отметок менее 2 км. Высшей точкой хребта в этой части океана является остров Пасхи, расположенный в зоне его сочленения с широтным глыбово-вулканическим хребтом Сала-и-Гомес.

Особенностью ВТП, отличающей его от других срединных хребтов, является отсутствие продольной рифтовой долины и обрамляющей ее хребтов, что объясняется высоким темпом спрединга (до 16 см/год), при котором обильные массы поступающего к поверхности магматического материала полностью заполняют рифтовую долину [32].

Осадочный слой на поднятии довольно тонкий, а в ряде мест и вообще отсутствует. Второй слой, представленный в основном базальтами, имеет мощность порядка 1 км, а “базальтовый слой”, который, судя по результатам драгировок на разломе Хизена в 24-м рейсе НИС “Академик Курчатов”, состоит из амфиболитовых сланцев, имеет мощность 3.6–3.7 км, что почти на 2 км меньше мощности этого слоя за пределами ВТП. Г. Менард в своих работах называл ВТП мегантиклинальным воздыманием океанской земной коры, в котором слои становятся постепенно все более тонкими по мере приближения к гребню [32].

На всем протяжении ВТП расчленено многочисленными трансформными разломами, по которым его блоки сдвинуты иногда на значительные расстояния. Например, смещение оси ВТП в разломах Хизена и Тарп трансформной системы Элтанин между 53° и 57° ю.ш. достигает 15° по долготе, т.е. более 1500 км. Характер смещений меняется по простиранию ВТП: к югу от параллели 40° ю.ш. преобладают правосторонние смещения, между 40° и 20° ю.ш. – левосторонние, а севернее 20° ю.ш., вплоть до стыка с широтным Галапагосским поднятием, – опять правосторонние.

Многие исследователи также отмечают сходные черты в геофизических полях южной части Срединно-Атлантического хребта и ВТП в юго-восточной части Тихого океана [30, 32]. Это сходство выражается в одинаковых величинах аномалий полного вектора геомагнитного поля и гравитационных аномалий в редукции Фая.

Основной объем геотермических измерений в этой части Тихого океана был получен американскими и канадскими учеными. Тем не менее, около 50 измерений теплового потока выполнено российскими учеными, в том числе и авторами данной работы, во время 14-го рейса НИС “Дмитрий Менделеев” и 24-го рейса НИС “Академик Курчатов” [12].

Район геотраверса 15° ю.ш. характеризуется самой высокой геотермической изученностью из всех рассмотренных объектов. В общей сложности здесь проанализировано 7260 измерений теплового потока, из которых 3740 расположены западнее оси ВТП, и 3520 – восточнее. Расчет статистического различия выборок показал, что на этом пересечении ВТП существует значимая асимметрия теплового потока: среднее его значение западнее хребта составляет 88 мВт/м², а восточнее – 72 мВт/м² (табл. 2).

Индийский океан. В настоящей работе мы проанализировали распределение теплового потока на флангах Юго-Западного Индийского хребта (ЮЗИХ) (см. рис. 1). Он морфологически разделяется на Западно-Индийский (ЗИХ) и Африкано-Антарктический хребты, сочленение которых происходит в зоне трансформного разлома Принца Эдуарда на 37° в.д. (рис. 3). Хребты характеризуются интенсивно расчлененным рельефом с перепадом высот до 4 км. Они пересекаются многочисленными трансформными разломами, смещающими современную ось спрединга иногда на десятки миль [19].

Рис. 3.

Морфологическая схема Юго-Западного Индийского хребта. 1 – Западно-Индийский хребет; 2 – трансформный разлом Принца Эдуарда.

ЮЗИХ относится к медленно спрединговым хребтам [34]. Скорость спрединга здесь, в среднем, не превышает 14 км/млн лет (1.4 см/год)²², причем аккреция коры по разные стороны от оси хребта резко асимметрична. Так, на “Антарктической” стороне она составляет 8.5 км/млн лет, а на “Африканской” – 5.5 км/млн лет [27]. Вдоль простирания ЮЗИХ также наблюдается структурная асимметрия. Участки хребта, лежащие западнее трансформного разлома Эндрю-Бэйн (30° в.д.) и восточнее трансформного разлома Мэлвилл (61° в.д.), характеризуются аномально глубокой осевой долиной, косым спредингом, небольшой величиной центральной магнитной аномалии и нестабильным морфологическим проявлением на дне пассивных частей трансформных разломов [23, 27]. Такие свойства периферийных частей ЮЗИХ позволяют предположить, что они имеют относительно “холодную” мантию, прочную и толстую литосферу и ограниченные запасы магмы. Напротив, центральная часть ЮЗИХ, между 30° и 61° в.д., характеризуется прекрасно проявляющимися в рельефе трансформными разломами, ортогональным спредингом и ярко выраженной центральной магнитной аномалией [34]. Внутри этой части ЮЗИХ, между трансформными разломами Атлантис II (56°45′ в.д.) и Навара (58°40′ в.д.), лежит сегмент, который, судя по скорости спрединга, можно сравнить с большинством сегментов Срединно-Атлантического хребта.

Таким образом, ЮЗИХ характеризуется структурной и морфологической асимметрией вдоль и вкрест своего простирания.

В юго-западной части океана, начиная с конца 60-х годов ХХ века, неоднократно проводились экспедиционные работы на американских, французских и японских научно-исследовательских судах, включавшие измерения теплового потока [20, 21, 24, 28]. Компиляция измеренных значений теплового потока отражена в глобальных базах данных [26, 29, 35]. На рис. 4 показаны все известные на сегодняшний день пункты измерений в этой части Индийского океана.

Рис. 4.

Батиметрическая карта юго-западной части Индийского океана (сечение изобат – 1000 м) и расположение точек измерения теплового потока (крестики). Размер крестиков пропорционален величине теплового потока. 4, 5 – номера геотраверсов (см. рис. 1), вдоль которых проведена статистическая обработка геотермических данных.

Для установления факта геотермической асимметрии на флангах ЗИХ нами было проведено сравнение выборок данных теплового потока вдоль двух длинных профилей (геотраверсов), пересекающих хребет (см. рис. 4). Статистические выборки для каждого из этих геотраверсов вполне представительны (табл. 3) для проведения сравнительного анализа.

Таким образом, в юго-западной части Индийского океана мы констатируем наличие не только структурной, но и геотермической асимметрии ЗИХ относительно его оси. Западный склон и смежная абиссальная котловина характеризуется более высоким тепловым потоком по сравнению с восточной частью ЗИХ в полосе обоих геотраверсов.

Подводя итоги статистического анализа асимметрии СОХ южного полушария, мы отмечаем, что для всех пересечений хребтов в трех океанах Земли западный фланг обладает более высоким тепловым потоком, чем восточный.

СЕВЕРНОЕ ПОЛУШАРИЕ ЗЕМЛИ

В северном полушарии рассматривались четыре геотраверса: 6) геотраверс 45° с.ш., 7) Канаро-Багамский геотраверс (28° с.ш.), 8) геотраверс 19° с.ш. – в Атлантике и 9) геотраверс 10° с.ш. в Тихом океане.

Атлантический океан. Геотраверс 45° с.ш. простирается от Бискайского залива на востоке до Ньюфаундлендской котловины – на западе, пересекая САХ на 28° з.д. Район достаточно хорошо изучен всеми геолого-геофизическими методами. Достаточно сказать, что только измерений теплового потока здесь выполнено более 250 (рис. 5). Диапазон изменения теплового потока очень широкий. Минимальное значение составляет 25 мВт/м², а максимальное – 180 мВт/м². Заметим, что САХ в этом районе характеризуется не самыми экстремальными значениями, что обычно связывают с уменьшением кондуктивного теплового потока из-за тепломассопереноса в рифтовой долине хребта.

Рис. 5.

Рельеф дна и пункты измерений теплового потока (треугольники) в районе геотраверса 45° с.ш. Размер треугольников пропорционален величине теплового потока.

Максимальные значения теплового потока относятся к восточному склону САХ в районе 8–10-й магнитных аномалий. Далее на восток, в Бискайском заливе тепловой поток несколько уменьшается, но, тем не менее, остается повышенным по сравнению с Ньюфаундленской котловиной. Сравнение выборок теплового потока западнее и восточнее оси САХ показало, что выборка на востоке имеет статистически значимое превышение среднего теплового потока над тем, которое характеризует выборку на западе (табл. 4).

Позиция Канаро-Багамского геотраверса (23°– 29° с.ш.) выбрана так, что им пересекается только одна дивергентная граница плит (САХ) (рис. 6), которая функционировала на протяжении всей истории раскрытия Атлантики. Расположенная между наиболее удаленными друг от друга атлантическими трансформными разломами Кейн и Атлантис, полоса геотраверса покрывает регион, наиболее представительный для рассмотрения процессов аккреции и эволюции океанической коры в обстановке медленного спрединга [6].

Рис. 6.

Блок-диаграммы рельефа дна (а) и теплового потока (б) вдоль геотраверса № 7 (Канаро-Багамский).

По результатам сейсмических работ, в районе геотраверса выделяется два типа земной коры, имеющих определенную структуру волнового поля и скоростные характеристики – нормальная и аномальная кора. Нормальная кора характеризуется наличием трех сейсмокомплексов: 1-й сейсмокомплекс, который по особенностям волнового поля сопоставляется с пиллоу-лавами и базальтовыми потоками в разрезах офиолитов; 2-й – (акустически прозрачный горизонт) интерпретируется как комплекс параллельных даек; 3-й сейсмокомплекс по присутствию динамически выраженных отражающих площадок и наклонных рефлекторов отвечает габброидам нижних частей разреза типичных офиолитов. На большинстве временны́х разрезов MOB выделяется раздел Мохо, отмечающий переход от “слоистой” к “неслоистой” записи. На профилях MOB в полосе Канаро-Багамского геотраверса встречаются также участки, где волновые поля имеют аномальные особенности: насыщение осями дифракции или отражающие границы сложной структуры (наклонные и “шпорообразные” рефлекторы).

Проявления асимметрии на геотраверсе отмечались при анализе “корневой зависимости” рельефа на склонах САХ [6], гравитационных аномалий Фая [5] и теплового потока [11]. Однако, статистическое сравнение геотермических характеристик однотипных морфологических элементов вдоль Канаро-Багамского геотраверса выявило их неоднородность. Так, сравнение статистик теплового потока в абиссальных котловинах показало, что в Канарской котловине в полосе геотраверса тепловой поток статистически значимо выше, чем в южной части Северо-Американской (Багамской) котловины. В то же время, сравнение распределения теплового потока на склонах САХ не обнаружило значимого различия с восточной и западной стороны от оси хребта.

Появление новой, намного более представительной базы данных по тепловому потоку [26] позволило заметно увеличить анализируемую выборку по Канаро-Багамскому геотраверсу. Если раньше в полосе геотраверса мы анализировали 42 измерения, то в последней базе те же координаты включали 70 измерений.

В табл. 5 приведены результаты статистической обработки выборок теплового потока в западной и восточной периферии геотраверса. Расчеты показали, что, в суммарной выборке превышение среднего теплового потока восточнее САХ статистически значимо по сравнению с выборкой геотермических данных западнее хребта.

На рис. 7 показан рельеф дна в районе геотраверса 19° с.ш. (№ 8). Этот блок земной коры почти не затронут трансформными смещениями и может рассматриваться как тектонотип симметричного расположения морфологических элементов океанического дна: склонов САХ и смежных абиссальных котловин.

Рис. 7.

Рельеф и положение точек измерения теплового потока (треугольники) вдоль геотраверса 19° с.ш. (размер треугольников пропорционален величине теплового потока).

Тем не менее, сравнение выборок теплового потока, сформированных на основании измерений по разные стороны от оси САХ, показало статистически значимое различие – восточный фланг геотраверса обладает более высоким средним тепловым потоком (табл. 6).

Тихий океан. В Пацифике лишь один геотраверс в северном полушарии удовлетворяет условию достаточной геотермической изученности. Это геотраверс № 9, пересекающий ВТП на 10° с.ш. Вдоль этого геотраверса усилиями, в основном, американских исследователей, получено более 5000 измерений теплового потока [31, 33, 36]. Подавляющее число измерений лежит в пределах 65–100 мВт/м². Лишь около 20 точек характеризуются ураганными значениями 250–260 мВт/м², тяготеющими к оси ВТП. Статистический анализ показал хотя и небольшое, но значимое различие теплового потока флангов ВТП: восточный фланг имеет более высокое среднее значение, чем западный (табл. 7).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Сопоставление геотермических данных для флангов геотраверсов, пересекающих все СОХ в океанах Земли, выявило статистически значимую асимметрию теплового потока, различающуюся по направлению в южном и северном полушариях Земли: в южном полушарии западные фланги геотраверсов характеризуются более высоким тепловым потоком, а в северном – восточные (рис. 8).

Рис. 8.

Гистограммы распределения среднеарифметических значений теплового потока вдоль геотраверсов в Южном и Северном полушариях Земли.

Объяснение этого феномена требует не только корректировки основных положений парадигмы спрединга океанского дна, но и более глобальных, планетарных причин проявления асимметрии в быстро- и медленно спрединговых хребтах. Можно указать, как минимум, две возможные причины, осложняющие симметричный дивергентный механизм. Это различающийся возраст блоков тектонических плит по разные стороны от оси хребта и/или наложение вторичных процессов на первичный спрединг, которые идут с выделением или поглощением энергии. Среди таких процессов можно указать на растяжение коры в аккреционной зоне и в смежных абиссальных котловинах, которое сопровождается образованием листрических сбросов, а также образование шарьированных блоков, экранирующих глубинный тепловой поток. С этими тектоническими процессами неразрывно связано сложное перераспределение конвективных потоков в верхней части океанской литосферы, которое фиксируется в геотермическом поле наличием аномально высоких и аномально низких (и даже нулевых) значений теплового потока.

Существующая методика расчета возраста второго слоя океанской коры по геотермическим данным (см. напр., [4, 14]) основана на предположении о равной скорости спрединга по обе стороны от оси океанических хребтов. Именно на этом основании выведена формула, позволяющая рассчитать возраст дна (t) по измерениям теплового потока (q): $q = {{\lambda {{T}_{a}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\lambda {{T}_{a}}} {\sqrt {\pi at} }}} \right. \kern-0em} {\sqrt {\pi at} }}$, где $\lambda $ – теплопроводность литосферы; ${{T}_{a}}$ – температура астеносферы; a – температуропроводность, а также производную от этой другую формулу для оценки мощности литосферы (H_L): H_L= (T_s/T_a)$\sqrt {\pi at} $, где T_s – температура солидуса мантийного вещества. Наличие геотермической асимметрии существенно осложняет применение этих формул и заставляет предположить другую, более сложную модель для количественных оценок параметров океанской литосферы. Проведенные ранее исследования поиска корреляционной зависимости возраста океанической коры по магнитным аномалиям и по величине теплового потока не установили значимую корреляцию [22]. Идея о существовании геотермической асимметрии позволяет объяснить причину отсутствия корреляции.

Перечисленные факторы, несомненно, требуется учитывать при анализе геотермического поля океанской коры, но они не объясняют разное “направление асимметрии” в северном и южном полушариях.

Выше мы упомянули влияние силы Кориолиса, неизменно проявляющееся на вращающейся Земле.

На любую материальную точку Земли (m) из-за ее вращения против часовой стрелки с угловой скоростью (ω) будет действовать сила Кориолиса F_K = 2mvω sin φ, которая в южном полушарии будет смещать массу влево относительно радиуса (рис. 9), а в северном, соответственно, вправо. В дивергентных зонах такой массой является магма, скопившаяся в астеносферном мантийном резервуаре и перемещающаяся внутри него под действием силы Кориолиса (рис. 10). Избыточная энтальпия этой массы обусловливает то специфическое распределение конвективного и кондуктивного теплового потока, которое мы наблюдаем в дивергентных зонах. Конвективная разгрузка глубинного тепломассопотока направлена строго вдоль разломной рифтовой зоны и выражается, в конечном итоге, в виде вулканических проявлений на морском дне. В то же время, главным источником кондуктивного теплового потока на флангах СОХ и в смежных абиссальных котловинах является присутствие фракционно расплавленного мантийного материала в астеносферном резервуаре. Концентрация магмы в этом резервуаре асимметрична, что обусловливается влиянием силы Кориолиса (см. рис. 10). Появление большего количества высоко энтальпийной массы на одном из флангов объясняет наблюдаемую асимметрию кондуктивного теплового потока.

Рис. 9.

Действие силы Кориолиса (пояснения в тексте).

Рис. 10.

Асимметрия геотемпературного поля, Т, °С (внизу) и теплового потока (вверху) вкрест простирания срединно-океанического хребта (пример для Южного полушария Земли).

Геотраверсы № 1–5 расположены в южном полушарии, поэтому магма в астеносферном резервуаре концентрируется на западном его фланге, что объясняет наблюдаемую “западную” асимметрию во всех океанах планеты.

Для геотраверсов № 6–9, расположенных в северном полушарии, более “прогретым” оказывается восточный фланг геотраверса, что также однозначно можно связать с влиянием силы Кориолиса, перераспределяющей магматические массы в астеносферном резервуаре.

Мы предлагаем ввести “количественный показатель геотермической асимметрии”, который характеризуется абсолютной величиной разницы средних значений теплового потока на разных флангах геотраверса: δq = |q₁ – q₂|. Из-за увеличения силы Кориолиса по направлениям к полюсам Земли, этот показатель должен быть больше для геотраверсов в высоких широтах, чем в приэкваториальных. На рис. 11 по оси ординат отложена величина δq для всех изученных геотраверсов как функция широты его расположения. Фиттинговая аппроксимация (пунктирная кривая) имеет форму параболы с минимумом на широте экватора.

Рис. 11.

Зависимость показателя геотермической асимметрии δq от географической широты расположения геотраверса.

Таким образом, мы подтвердили с помощью статистического анализа, что главным фактором, обусловливающим асимметрию теплового потока в дивергентных зонах Мирового океана, является действие силы Кориолиса на высоко энтальпийные магматические массы в астеносферном очаге.

Источник финансирования. Работа выполнена при финансовой поддержке госбюджетной темы № 0135-2015-0021, гранта РФФИ № 19-05-00014 и Программы Президиума РАН № 49.