Океанология, 2022, T. 62, № 6, стр. 999-1005

Одним из дискуссионных вопросов эволюции Амеразийского бассейна Арктики является происхождение земной коры поднятия Альфа-Менделеева и прилегающей к нему котловины Подводников. Большинство арктических геологов и геофизиков относят кору этих структур к континентальному типу. Однако убедительного геодинамического объяснения наблюдаемых различий в строении и эволюции указанных тектонических структур, к которым, в частности, относятся различия в мощности коры, магматических проявлениях, вертикальных движениях и т.д., до последнего времени не было. С этим обстоятельством связаны часто высказываемые прямо противоположные мнения об амплитуде растяжения коры котловины Подводников и других тектонических структур Амеразийского бассейна. Так, например, существует точка зрения, высказанная А.М. Никишиным [15] о большом растяжении континентальной коры котловины Подводников (порядка 100%), которое необходимо принять, чтобы объяснить пониженную мощность ее кристаллического слоя (около 15 км). Альтернативная точка зрения, основанная на данных МОГТ и сейсмического зондирования МПВ в котловине Подводников, которую отстаивает В.А. Поселов [12, 16], наоборот, заключается в признании незначительного растяжения коры котловины (порядка 10%).

На рис. 1 показан сейсмический разрез коры вдоль профиля, проходящего через котловину Подводников, понятие Менделеева и Чукотскую впадину (см. врезку), полученный в результате исследований ГСЗ, выполненных ОАО “Севморгео” в 2012 г. Обработка данных ГСЗ выполнялась в ФГБУ “ВСЕГЕИ” [3] под руководством С.Н. Кашубина. Основной целью обработки и интерпретации являлось изучение структуры земной коры вдоль линии профиля для усиления доказательной базы российского пересмотренного Представления на расширение внешней границы континентального шельфа в Северном Ледовитом океане, поэтому работа выполнялась в тесном сотрудничестве с ФГБУ “ВНИИОкеангеология” – организации, ответственной за подготовку материалов к Представлению (под руководством В.А. Поселова), с увязкой с другими разрезами ГСЗ в районе работ [16].

При работах ГСЗ использовались пневмоисточник большой мощности СИН-6М (120 л) и самовсплывающие автономные донные сейсмические станции (M-K4-СМ-26М) с многокомпонентной регистрацией (X, Y, Z-компоненты и гидрофон Н). Профиль отработан по плотной системе наблюдений: интервал между донными станциями составлял 10–20 км; расстояние между возбуждениями (сейсмическими трассами) – 315 м. Отметим некоторые характеристики регионального строения земной коры. Мощность верхней кристаллической коры, определяемой по значениям скоростей продольных волн (от 6.0–6.3 км/с в верхней и до 6.7 км/c в нижней частях), меняется от 15 км под Чукотским плато до 2 км под Чукотской впадиной. На поднятии Менделеева мощность верхней коры составляет 7–8 км, а в котловине Подводников – около 5 км. Нижняя кристаллическая кора характеризуется значениями скоростей продольных волн от 6.8 до 7.2 км/c. Под поднятием Менделеева в низах кристаллической коры скорости продольных волн возрастают до 7.3 км/с. Мощность нижней коры вдоль профиля составляет около 10 км под котловиной Подводников и Чукотской впадиной и достигает почти 20 км под поднятием Менделеева. Наблюдаемое значительное утонение нижней коры (в два раза) в котловинах, обрамляющих поднятие Менделеева, требует объяснения в рамках реалистичной геодинамической модели образования коры Амеразийского бассейна.

Ниже предлагается физическое объяснение данного явления, основанное на предлагаемой нами конвективной модели эволюции коры, которая является частью разработанный в последние годы общей геодинамической модели эволюции Арктики в период от поздней юры до современности [7, 8]. Согласно этой модели, эволюция Арктического региона вместе с примыкающей к нему Восточной Азией, определяется развитием верхнемантийной циркуляции под литосферой этих регионов, сопряженной с зоной субдукции Тихоокеанской литосферы. В последующих работах [9, 10] было показано, что наряду с горизонтально вытянутой конвективной ячейкой, определяющей общую направленность эволюции литосферы Арктики, в первую очередь, ее смещение в сторону Тихоокеанской зоны субдукции, в верхней мантии могут возникать изометричные конвективные ячейки, которые можно трактовать как верхнемантийные плюмы. Эти наложенные на горизонтальные течения плюмы приводят к образованию крупных магматических провинций, возникновению значительных вертикальных движений коры, изменению ее мощности и т.д. [11].

Рассмотрим идеализированную схему верхнемантийного плюма, представляющего собой восходящий поток конвективной ячейки, расположенный под формирующейся структурой поднятия Альфа-Менделеева (рис. 2).

С подобного рода плюмами большинство исследователей связывает образование крупных магматических провинций, в данном случае, возникновение так называемого события HALIP в Амеразийском бассейне Арктики в мелу [1, 2]. Поднимающееся вещество мантии приносит дополнительное тепло к подошве литосферы, смещая ее вверх, как фазовую границу, ниже которой находится вещество астеносферы в частично расплавленном состоянии. Поскольку верхняя мантия под литосферой Арктики, согласно общей геодинамической модели [7, 8], испытывает циркуляцию, сопряженную с субдукцией Тихоокеанской литосферы, то ее вещество с течением времени постепенно насыщается компонентами водосодержащей океанической коры, которые проникают в мантию вместе с погружающейся литосферой. Как известно, даже небольшое количество воды приводит к резкому падению температуры солидуса литосферы, снижая ее на величину порядка 200°С. Отсюда следует, что фазовая граница “литосфера–астеносфера” в центральной части плюма, вследствие пониженной температуры солидуса литосферы, может достигнуть подошвы коры, приведя к полному исчезновению подкоровой литосферы (рис. 2). В этом случае в конвективной геодинамической системе возникают два дополнительных процесса: во-первых, интенсивное плавление вещества астеносферы из-за эффекта декомпрессии при его подъеме к границе коры, сопровождаемое вертикальной фильтрацией магмы, ее интрузивным проникновением в кору и экструзивным излиянием на поверхность; во-вторых, механическая эрозия коры снизу на ее подошве вследствие сцепления вещества коры с горизонтально растекающимся веществом астеносферного плюма. Эрозия нижней коры, очевидно, будет приводить к уменьшению ее мощности фактически без заметного растяжения верхнего хрупкого слоя коры. Такой эрозионный механизм значительного утонения нижней коры без заметного растяжения верхнего слоя коры позволяет объяснить наблюдаемые различия в строении коры котловины Подводников и поднятия Менделеева, а именно: значительное утонение, примерно в 2 раза, нижнего пластичного слоя коры котловины Подводников по сравнению с нижним слоем коры поднятия Менделеева (см. рис. 1). Относительно повышенная мощность коры поднятия Менделеева, расположенного над осевой зоной восходящего астеносферного течения, объясняется тем, что, во-первых, здесь происходит наиболее интенсивное наращивание коры вследствие внедрения в нее большого количество базальтового расплава, и, во-вторых, в приосевой зоне механизм горизонтальной эрозии нижнего слоя коры не является эффективным из-за близких к нулю скоростей горизонтального растекания астеносферы (см. рис. 2).

Таким образом, предлагаемая конвективная геодинамическая модель эволюции коры Амеразийского бассейна в меловое время полностью снимает отмеченное выше кажущееся противоречие между небольшой величиной растяжения верхнего слоя коры в котловине Подводников и ее значительно меньшей толщиной по сравнению с мощностью коры поднятия Альфа-Менделеева.

Необходимо также отметить еще один важный вывод общей геодинамической модели эволюции Арктики, касающийся объяснения относительно быстрого погружения коры котловины Подводников, а также поднятия Альфа-Менделеева и других тектонических структур Амеразийского бассейна, начавшегося около 45 млн лет назад. Согласно нашей модели [4], примерно в это время резко снизилась интенсивность верхнемантийной циркуляции под Арктикой, так как именно в этот момент Тихоокеанская плита, погружающаяся под литосферу Арктики в Алеутской зоне субдукции, достаточно резко изменила направление своего движения с северного на западное и стала погружаться под Азиатский континент, в частности, в Курило-Камчатской и Японской зонах субдукции. Резкое замедление верхнемантийной циркуляции под Арктикой привело к ультрамедленному спредингу в хребте Гаккеля, общему охлаждению литосферы и астеносферы, что, в свою очередь, привело к началу погружения коры на всей территории Амеразийского бассейна примерно 45 млн лет назад.

Рассмотрим теперь вышеописанную качественную геодинамическую модель с позиций численного математического моделирования. Численное 2D-моделирование региональной верхнемантийной конвективной ячейки, создающей эффект верхнемантийного плюма, проводилось в рамках термохимической модели вязкой жидкости в приближении Буссинеска с учетом движения и эволюции корового слоя [5, 6]. Модель учитывает следующие геодинамические факторы и характеристики среды: 1) двухслойное строение коры (с верхним холодным высоковязким слоем и нижним значительно менее вязким слоем); 2) увеличение общей мощности коры в результате магматической деятельности (магматические интрузии и вулканические извержения); 3) эффект солидуса, определяющий подошву литосферы; 4) экзотермический фазовый переход оливина в шпинель, усиливающий конвекцию в верхней мантии. Реология мантийного вещества включает как регулярную зависимость вязкости от температуры и давления, так и ее скачкообразные изменения при физико-химических превращениях.

Коровый слой моделируется как относительно легкое, т.е. обладающее силой плавучести ${{F}_{{{\text{cr}}}}}$, вещество, которое “дрейфует” вдоль верхней поверхности мантии со скоростью, определяемой в ходе моделирования, так что граница Мохо со временем изменяет свое положение [5, 6]. Исходя из условия изостазии, определялся рельеф верхней поверхности коры. Кроме того, хрупкий верхний слой коры считается на порядок более вязким, чем нижний коровый слой. Действие вулканических извержений и внутрикоровых интрузий моделируется как эффект приращения общей мощности корового слоя в области действия горячего плюма. При этом, в нашей упрощенной математической постановке место, время и скорость наращивания коры задаются параметрически как результат магматической деятельности без явного описания процессов фильтрации магмы, ее застывания и т.д., что представляет собой отдельную достаточно сложную задачу, требующую специального рассмотрения.

Фазовая граница солидуса, связанная с частичным плавлением мантийного вещества в тонком межзеренном пространстве, зависящим от (p–T) условий в мантии, геодинамически проявляется в резком изменении вязкости среды, что определяет подошву литосферы. При расчетах задавался 10-кратный скачок вязкости среды, происходящий при достижении температуры солидуса ${{T}_{{{\text{sol}}}}} = 900^\circ {\text{C}}\left( {1 + 0.5\frac{{{{H}_{{{\text{km}}}}}}}{{{{{660}}_{{{\text{km}}}}}}}} \right)$, и в результате численного моделирования определялась конфигурация литосферы. Отметим, что в принятой формуле для температуры солидуса учтен эффект ее понижениям примерно на 200°С из-за присутствия воды. Фазовый переход, происходящий на глубине 410 км, является экзотермическим, и соответствующее ему смещение фазовой границы (скачка плотности) приводит к появлению поверхностной силы, усиливающей конвекцию ${{F}_{{{\text{Ph}}}}}\left( {x,z} \right) \sim \delta \left( {z - 410} \right)\Gamma {{T}_{{410}}}\left( x \right)$ [5, 6]. Мы также полагаем, что скачок плотности, сопровождается третьим (в расчете 4-кратным) скачком вязкости. Наше моделирование учитывает влияние этих фазовых изменений на результирующую форму конвекции. Регулярная зависимость вязкости от температуры и давления, которое линейно растет с глубиной H, моделируется экспонентой ${{\mu }_{0}}\left( {p,T} \right) = {\text{exp}}\left( {\beta p - \alpha T} \right)$ [13]. Скачки вязкости учитываются как значения, приписываемые предэкспоненциальному множителю ${{\mu }_{n}}$ в соответствии с указанными выше физико-химическими условиями.

Таким образом, в уравнение движения вязкой среды с переменной вязкостью

входят три силы: ${{F}_{z}} = {\text{Gr(}}T + {\text{Crust}} + \delta \left( {z - {{Z}_{{410}}}} \right) \times $ $ \times \,\,\Gamma {{T}_{{410}}})$ – термическая, химическая и фазовая, характеризуемые тремя коэффициентами – числом Грасгофа Gr, плавучестью коры Crust и параметром фазового перехода Г. Итоговая зависимость для вязкости $\mu \left( {p,T} \right) = {{\mu }_{n}}{{\mu }_{0}}\left( {p,T} \right)$ включает еще пять коэффициентов – $\alpha ,~\beta ,~{{\mu }_{1}},~{{\mu }_{2}},~{{\mu }_{3}}$. Еще один параметр – число Пекле Pe – входит в уравнение теплопроводности. Значения этих параметров находятся по известным физическим характеристикам вещества верхней мантии.

При моделировании выставляются “традиционные” граничные условия [5, 13, 14]. На горизонтальных границах прямоугольной расчетной области это условие постоянства температуры и условие непротекания. На боковых границах задается отсутствие каких-либо возмущений, т.е. это скользкие теплоизолированные стенки. Основному моделированию предшествует продолжительный расчет начального состояния, отвечающего конвекции с квазистационарным плюмом в центре расчетной области. Потом включается механизм магматических извержений и проводится моделирование всех вышеперечисленных процессов, в результате взаимодействия которых находится толщина коры и форма рельефа в области действия плюма. Полученные при таком моделировании распределения расчетных величин показаны на рис. 3.

Из эпюры скоростей на верхней панели рис. 3а видно, что скорости горизонтальных смещений в верхней части коры ничтожно малы по сравнению со скоростями смещений в подкоровой астеносфере, которые ответственны за эрозию нижнего слоя коры, показывая незначительное растяжение поверхностного слоя коры при существенном утонении ее нижнего слоя. На нижней панели рис. 3б показан зеленым цветом профиль мощности коры с утолщенным в центре слоем, моделирующим поднятие Менделеева, и примыкающими к нему смежными утоненными участками коры, моделирующими котловину Подводников и Чукотскую впадину. Таким образом, построенная модель региональной верхнемантийной конвективной ячейки хорошо воспроизводит основные особенности строения земной коры Амеразийского бассейна.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках госзадания Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН № FMWE-2021-0004.