Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Контуриты на континентальном подножии Южной Америки

ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Контуриты на континентальном подножии Южной Америки"

На правах рукописи

БОРИСОВ Дмитрий Геннадьевич

КОНТУРИТЫ НА КОНТИНЕНТАЛЬНОМ ПОДНОЖИИ ЮЖНОЙ АМЕРИКИ

Специальность 25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва-2013

005540097

005540097

Работа выполнена в Лаборатории геодинамики и палеоокеанологии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

Научный руководитель:

Мурдмаа Ивар Оскарович, доктор геолого-минералогических наук, профессор Официальные оппоненты:

Лукашин Вячеслав Николаевич, доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории физико-геологических исследований Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН, г. Москва

Хортов Алексей Владимирович, доктор геолого-минералогических наук, главный геолог ОАО "Союзморгео", г. Геленджик

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, г. Москва

Защита состоится " 20 " декабря 2013 г в 12.00 на заседании Диссертационного совета Д.002.293.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский проспект, д. 36, Большой конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН по адресу: 117997, г. Москва, Нахимовский проспект, д. 36

Автореферат разослан " 19 " ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.002.239.03

кандидат биол. наук

Т.А.Хусид

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. За последние два десятилетия интерес научного сообщества к проблеме контуритов значительно вырос. Данный генетический тип глубоководных отложений широко распространен на континентальных окраинах. Мощные толщи контуритов, которые почти непрерывно накапливались в течение сотен тысяч и миллионов лет, представляют собой природные архивы палеоклиматической и палеоокеанологической информации о вариациях придонной циркуляции (в т.ч. скоростях течений). Крупнозернистые контуриты привлекают к себе внимание ведущих мировых нефтегазовых компаний, как перспективные нетрадиционные коллекторы нефти и газа [Viana et al., 2007]. В настоящее время многими ведущими специалистами в области морской геологии и седиментологии ведется работа по выделению диагностических признаков контуритов, отличающих их от других генетических типов глубоководных отложений (турбидитов и гемипелагитов).

Исследование контуритов в районе континентального подножия Бразилии и Уругвая актуально в силу того, что здесь на контрастных примерах северозападной части Аргентинской и юго-западной части Бразильской котловин можно решить такие общие проблемы, как влияние интенсивности терригенного питания и морфологии дна на формирование контуритов, а также усовершенствовать подходы и методы распознания контуритов по сейсмическим и литологическим данным.

Цель и задачи исследования. Цель данного исследования заключается в определении роли придонных (контурных) течений в формировании аккумулятивного шлейфа континентального подножия Уругвая и Бразилии в северо-западной части Аргентинской и юго-западной части Бразильской котловин.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

■ Проследить сейсмофациальную изменчивость четвертичных отложений в районе исследования по данным сейсмоакустического профилирования сверхвысокого разрешения, выполненного с помощью акустической системы «SES 2000 deep».

■ Проследить изменения генетических типов четвертичных отложений вдоль и поперек склона по данным колонок донных осадков.

■ Провести прямую корреляцию колонок донных осадков с сейсмозаписями для установления природы отражающих границ вдоль сейсмоакустических профилей и определения генетических типов осадков по их акустическим образам.

■ Выявить в районе исследования эрозионные и аккумулятивные формы рельефа, образованные под действием придонных течений или при их активном участии.

■ Соотнести глубину нахождения, размеры и геометрию обнаруженных контуритовых форм рельефа с современным положением уровней высоких

градиентов плотности воды и характером взаимодействия придонных течений с дном, косвенно определенным по данным нефелометрических исследований.

■ Оценить вклад гравитационных потоков осадочного материала и фоновой гемипелагической седиментации в формирование контуритовых дрифтов.

■ Объединить контуритовые формы рельефа в эрозионно-аккумулятивные системы по принципу общности формировавших их процессов и определить границы распространения этих систем.

Научная новизна. Впервые в данном регионе выполнена прямая высокоточная корреляция сейсмозаписей сверхвысокого разрешения с колонками донных осадков. В районе исследования выявлено две новых контуритовых системы, состоящих из генетически связанных дрифтов и каналов, образованных под действием придонных течений антарктических вод. Определены границы поля иловых осадочных волн на северо-западе Аргентинской котловины. По конфигурации эрозионно-аккумулйтивных систем в районе канала Колумбия (Бразильская котловина) реконструирована траектория сформировавших систему потоков.

Практическая значимость. Актуалистические модели современных контуритовых систем могут служить основой для расшифровки строения их древних аналогов в нефтегазоносных бассейнах континентальных склонов. Разработанные автором подходы к комплексной фациально-генетической интерпретации сейсмофаций контуритов могут быть применены при инженерно-геологических изысканиях для оценки георисков, связанных с подводными оползнями и гравитационными потоками в областях высоких скоростей накопления тонкозернистых контуритов (рыхлых отложений с высоким содержанием поровой воды). Данные подходы могут быть также использованы в учебной практике студентов геологических ВУЗов.

Фактический материал. В рамках диссертационной работы рассмотрены 14 колонок донных осадков длиной 1.5-7 м (с глубин 3345^108 м) и 7700 км сейсмоакустических профилей «SES 2000 deep», полученных в 32-м, 33-м, 35-м, 37-м и 43-м рейсах НИС «Академик Иоффе» на континентальном подножии Уругвая и Бразилии. Из базы данных GeoMapApp для изучения дополнительно были взяты более 7000 км профилей одноканального и многоканального сейсмопрофилирования, выполненного в районе исследования на НИС «Verna», «Robert Conrad», «Fred H. Moore», а также данные 133 нефелометрических станций [Biscaye et al., 1978]. В работе использованы данные многолучевого эхолотного промера рейса М29-2 НИС «Meteor», рейсов KN145L18 и KN159L5 НИС «Knorr», полученные из базы данных Национального центра обработки геофизических данных NOAA (NOAA NGDC). Из базы NOAA NGDC и отчетов рейсов М23-2, М29-2 и М43-2 НИС «Meteor» также взяты литологические описания 45 колонок донных осадков.

Защищаемые положения:

1) Данные сейсмоакустического профилирования сверхвысокого разрешения и их прямая высокоточная корреляция с колонками донных осадков доказывают, что в строении позднечетвертичной верхней части аккумулятивного шлейфа континентального подножия Уругвая и Бразилии преобладают контуриты, сформированные под действием придонных течений антарктических вод.

2) Генетически связанные аккумулятивные и эрозионные формы рельефа, образованные под действием контурных течений на подножии южного уступа плато Сан-Паулу и южного фланга канала Колумбия, составляют единые эрозионно-аккумулятивные системы.

3) Осадочные волны контуритового происхождения являются критерием для оценки интенсивности придонных течений в северо-западной части Аргентинской котловины, а их захоронение свидетельствует о низких скоростях течений, не препятствующих аккумуляции горизонтально залегающих тонкозернистых глинистых илов гемипелагического типа.

Личный вклад автора. В основу диссертации легли геологические и геофизические данные пяти рейсов НИС «Академик Иоффе», в трех из которых (35-м, 37-м и 43-м) автор принимал участие. На практике были освоены такие методы морских геолого-геофизических работ, как отбор колонок донных осадков, включая их литологическое описание и измерение физических свойств осадка, а также непрерывное сейсмоакустическое профилирование с последующей первичной обработкой и интерпретацией сейсмопрофилей «SES 2000 deep». Автор принимал участие в прямой корреляции 14 колонок донных осадков с сейсмозаписями SES. Автор освоил методы работы с открытыми международными базами геолого-геофизических данных, а также методы обработки и интерпретации данных многолучевого эхолотного промера (из базы данных NOAA NGDC), одноканального и многоканального сейсмического профилирования (база данных GeoMapApp), результатов измерений на нефелометрических станциях. Автором построены и проинтерпретированы нефелометрические профили и карты распределения различных параметров нефелоидного слоя в районе исследования. Сопоставлены литологические разрезы 14 колонок, полученных в рейсах НИС «Академик Иоффе», с 45 иностранными колонками. В районе исследования автором выделены две ранее неизвестные эрозионно-аккумулятивные контуритовые системы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на Всероссийских и международных конференциях: XIX Международная научная конференция (Школа) по морской геологии (Москва, 2011 г.); VIII Geological Congress of Spain (Oviedo, Spain, 2012 г.); INQUA SEQS 2012 Meeting «At the Edge of the Sea: Sediments, Geomorphology, Tectonics and Stratigraphy in Quaternary Studies» (Sassari, Italy, 2012 г.); International Workshop Dialogue between Contourite and Oceanography Processes (Hull, United Kingdom,

2013 г.); 11th International Conference on Paleoceanography (Barcelona, Spain, 2013 г.), 30th IAS Meeting of Sedimentology (Manchester, UK, 2013 г), а также на семинарах Лаборатории геодинамики и палеоокеанологии ИО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, отражающих основные полученные выводы, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 174 страницах текста и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 181 наименование, в том числе 140 иностранных, содержит 77 рисунков, 1 таблицу и 3 приложения.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору, д.г.м.-н. И.О. Мурдмаа за помощь и советы на всех этапах подготовки диссертационной работы. Автор глубоко признателен д.г.-м.н Е.В. Ивановой за ценные рекомендации и замечания. За консультации и критические замечания автор благодарит к.г.-м.н. О.В. Левченко, А.Г. Рослякова, д.ф.-м.н. Е.Г. Морозова, к.ф.-м.н. Р.Ю. Тараканова, д.г.-м.н. В.Н. Лукашина, Н. МакКейва, X. Эрнандес-Молина, Б. Проя, Г. Эрсия. Отдельная благодарность участникам и экипажам 32-го, 33-го, 35-го, 37-го и 43-го рейсов НИС «Академик Иоффе». Автор искренне благодарит своих друзей и коллег Н.А. Шульга, Е.А. Овсепян, Ю.Г. Маринову за поддержку и помощь в оформлении диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, отражены научная новизна и практическая значимость работы, а также приведены данные по апробации работы и личному вкладу автора.

Глава 1. Контуриты: диагностические критерии, классификация, условия формирования

В данной главе дается обзор современного состояния проблемы контуритов.

На настоящий момент контуритами называются осадки, отложенные или переотложенные под действием придонных течений [Stow et al., 2002а; Rebesco, 2005; Stow, Faugeres, 2008]. Данный термин введен в употребелние Б. Хизеном и Ч. Холлистером [Heezen, Hollister, 1964]. Аккумулятивные тела контуритов получили название дрифты, а эрозионные формы рельефа (каналы, террасы), образованные под действием придонных течений часто употребляются с приставкой «контуритовые». Характерные особенности придонных течений, способных формировать контуриты, приведены в работах [напр., McCave et al., 1988; Gross, Williams, 1991; Stow et al., 1996b]. В контексте указанных статей под придонными течениями понимаются квазистационарные потоки воды, движущиеся преимущественно вдоль склона, находящиеся в длительном взаимодействии с дном (в масштабе тысяч — сотен тьгсяч лет) и способные взмучивать, транспортировать и отлагать осадочный материал.

6

Диагностическими критериями для выявления контуритов на сейсмопрофилях являются: 1) характерная геометрия аккумулятивных тел, 2) наличие внутренних несогласий, 3) линзовидная форма сейсмических комплексов, 4) признаки миграции осадочных тел, 5) низкая амплитуда рефлекторов, 6) ундуляции и прерывистость рефлекторов [Faugeres et al., 1999; Rebesco, Stow, 2001].

К характерным литологическим признакам контуритов относят: 1) наличие знаков ряби и других следов деятельности течений на поверхности дна [напр., Bouma, Hollister, 1973]; 2) ламинацию (в т.ч. косую) с чередованием тонких прослоев глинистого ила и силта (или тонкого песка); 3) присутствие прослоев и линз силта и тонкого песка; 4) чередование тонких слоев глинистого ила разного цвета [Huneke, Stow, 2008; Martin-Chivelet, 2008; Shanmugam, 2008], 5) биотурбацию [Stow, Faugeres, 2008; Wetzel et al., 2008].

Существует два основных подхода к классификации контуритов:

1) по вещественному составу отложений различают терригенные, биогенные (карбонатные и кремнистые), вулканокластические и смешанные контуриты [Stow, Faugeres, 2008].

2) по гранулометрическому составу контуриты разделяют на иловые (глинистые, силтово-глинистые), силтовые (глинисто-силтовые), песчаные и гравий-содержащие [Stow, Faugeres, 2008].

Контуритовые дрифты отличаются многообразием форм и размеров, и могут занимать площади от 10 до более чем 106 км2 [напр., Stow et al., 2002а; Rebesco, 2005]. В настоящее время выделено несколько наиболее характерных форм контуритовых дрифтов, которые условно можно разделить на валоподобные (elongated mounded) и плоские (sheeted). Все остальные формы являются их частными случаями [напр., McCave, Tucholke, 1986; Faugeres et al., 1993; Rebesco, 2005]. Поверхность крупных дрифтов может быть осложнена осадочными волнами (sediment waves) [Flood et al., 1993; Hernandez-Molina et al., 2010].

Эрозионные формы рельефа, образованные под действием придонных течений, разделяются на линейные (каналы, промоины) и площадные (террасы, эрозионные поверхности) [Hernandez-Molina et al., 2008].

Генетически связанные контуритовые дрифты и эрозионные формы сформированные придонными течениями одних и тех же вод могут быть объединены в эрозионно-аккумулятивные системы [Stow et al., 2008].

Проблеме скоростей течений, при которых возможна эрозия, транспортировка и отложение осадочного материала различного гранулометрического состава посвящены многочисленные работы [напр., Thomsen, Gust, 2000; Stow et al., 2009].

Среди отечественных ученых, занимавшихся вопросом осадконакопления в условиях интенсивных вдольсклоновых течений, значительный вклад в решение данной проблемы внесли Ю.А. Богданов, В.Н. Лукашин, И.О. Мурдмаа [напр., Богданов и др. 2002, 2004; Лукашин, 2008; Мурдмаа и др., 2012].

7

Глава 2. Геоморфологический и океанографический очерк

Рассматриваемый район восточной континентальной окраины Южной Америки расположен между 40° ю.ш. и 20° ю.ш., в северо-западной части Аргентинской и юго-западной части Бразильской котловин на глубинах 3000-4500 м. Аккумулятивный шлейф континетального подножия (continental rise) осложнен здесь следующими морфоструктурами: плато Санта Катарина и Сан-Паулу, возвышенность Риу-Гранди, цепь подводных гор Витория-Триндади, канал Вима, канал Колумбия, зона трансформных разломов Риу-Гранди (рис.1).

Придонная циркуляция вод в рассматриваемом районе контролируется движущимися на север антарктическими водами (глубинными водами моря Уэдцелла (УГВ), нижними циркумполярными водами (НЦПВ)) и перемещающимися на юг Североатлантическими глубинными водами (САГВ). Глубина верхней границы УГВ увеличивается от 3800 м на севере Аргентинской котловины до 4500 в районе гор Витория-Триндади, а граница между НЦПВ и САГВ в том же направлении опускается с 3400 до 3700 м. Канал Вима является главным проходом для Антарктических вод из Аргентинской котловины в Бразильскую [Morozov et al., 2010]. Скорости течений в открытых частях котловин не превышают 10 см/с [напр., Weatherly, 1993]. Однако многие авторы [напр., Reid, 1989, 1996; DeMadron, Weatherly, 1994; Hogg, Zenk, 1997] отмечают существенное локальное увеличение скоростей современных придонных течений антарктических и североатлантических вод. В четвертичное время вариации скоростей течений были еще более значительными [Masse et al., 1994; Siedler et al., 1996].

Основным источником осадочного материала в северо-западной части Аргентинской котловины является залив Ла-Плата. Ежегодно через него в Атлантический океан выносится от 80 млн. т [Gilberto et al., 2004] до 97 млн.т [Лисицын, 1978] терригенного материала рек Уругвай и Парана.

На юге Бразильской котловины количество поступающего с берега осадочного материала значительно меньше, чем в северной части Аргентинской котловины, которая к тому же характеризуется более динамичным гидрологическим режимом [Krastel et al., 2011].

Глава 3. Материалы и методы исследований

Сейсмоакустическое профилирование сверхвысокого разрешения в 32-м, 33-м, 35-м и 37-м рейсах НИС «Академик Иоффе» выполнялось с помощью узколучевого параметрического эхолота-профилографа «SES 2000 deep». Частота излучаемого профилографом сигнала составляла 4-7 кГц, вертикальное разрешение сейсмической записи до 40-50 см и проникающая способность сигнала до 50-70 м ниже поверхности дна. В районе исследования получены четыре протяженных сейсмоакустических профиля, параллельных континентальному склону.

Точки для отбора колонок донных осадков выбирались по данным сейсмоакустического профилирования. Колонки отбирались ударными грунтовыми трубками с наружным диаметром 127 мм, длиной 5.8 и 8 м. На континентальном подножии Уругвая и Бразилии с глубин 3345^1108 м получены 14 колонок донных осадков. Цитологическое описание колонок проводилось по данным визуальных наблюдений и изучения осадка в смер-слайдах под поляризационным микроскопом. Цвет осадка определялся по шкале GSA Rock-color chart, 1995. В пилотных пробах из всех встреченных в колонках литологических типов осадков определялся видовой состав фауны планктонных фораминифер, индикаторные виды бентосных фораминифер, а также присутствие и относительное обилие других групп микрофоссилий [Мурдмаа, Иванова, 2012]. В 9 колонках сотрудниками ИО РАН и ВНИИОкеангеологии им. И.С. Грамберга выполнялись измерения влажности (сверхвысокочастотным резонансным влагомером СВР-6М и методом высушивания по ГОСТ 5180-84), а также плотности осадка (метод режущего кольца). Полученные данные использованы для корреляции разрезов колонок с сейсмическими профилями в целях литолого-фациальной интерпретации сейсмофаций.

Основным методом обработки сейсмических данных являлся сейсмофациальный анализ. Сущность метода заключается в выделении однотипных записей на сейсмопрофилях, рассматриваемых как сейсмоакустические образы осадочной толщи (сейсмофации), отличные от соседних. Цитологическая и стратиграфическая интерпретация сейсмофаций путем высокоточной геологической корреляции с разрезами колонок или сопоставления с типовыми (интерпретированными) сейсмофациями позволяет придать им геологическое содержание.

Обработка сейсмопрофилей SES выполнялась с помощью программного обеспечения ISE v.2.91. Обработка данных многолучевого эхолотного промера производилась с помощью программного обеспечения MB-System [Caress et al., 2012]. Батиметрические карты и профили выполнены по данным ЕТ0Р01 [Amante et al., 2010], GEBCOl, GMRT Grid v.2.3 [Ryan et al., 2009].

Глава 4. Контуритовые системы континентального подножия Южной Америки

Придонные течения антарктических вод образуют на континентальном подножии в северо-западной части Аргентинской и юго-западной части Бразильской котловин системы эрозионных и аккумулятивных форм, представленных дрифтами, каналами и осадочными волнами [Борисов и др., 2013а, б, в]. Результатом взаимодействия придонных течений с гравитационными (турбидными) потоками и фоновой гемипелагической седиментацией являются эрозионно-аккумулятивные системы смешанного генезиса. Относительную роль придонных течений в формировании подобных систем и в целом верхнечетвертичного чехла аккумулятивного шлейфа континентального подножия

9

Бразилии и Уругвая автор оценил на основе анализа сейсмофаций и разрезов, вскрытых колонками донных осадков, а также прямой высокоточной корреляции колонок с сейсмопрофилями сверхвысокого разрешения [Murdmaa et al., 2012, Борисов и др., 2013а, б].

4.1. Сейсмические образы контуритов. На сейсмопрофилях SES, полученных в районе исследования, акустические образы контуритов характеризуются четкой стратификацией, преимущественно низкой амплитудой рефлекторов, их прерывистостью и зачастую пологой ундуляцией, а также значительной глубиной проникновения акустического сигнала ниже поверхности дна (до 70 м). Наличие в разрезе турбидитов сокращает глубину проникновения сигнала до 15-20 м [Борисов и др., 2013а]. По общей геометрии обнаруженные аккумулятивные тела контуритов разделены на дрифты и осадочные волны.

В районе исследования преобладают «изолированные» и «обособленные» валоподобные дрифты. Они характеризуются линзовидной формой с уменьшением мощности и выклиниванием рефлекторов в латеральных частях дрифта. Сейсмопрофилирование с помощью системы «SES 2000 deep» позволяет выявлять контуритовые дрифты протяженностью по профилю не более первых десятков километров и максимальной мощностью 100 метров.

Наиболее крупными («обособленными») контуритовыми дрифтами в районе исследования являются дрифт в западной части системы Юинга [Hernandez-Molina et al., 2010], а также дрифты на плато Санта Катарина и у подножия его северного склона (рис. 1, 2а). Об их контуритовой природе свидетельствуют характерная геометрия тел, наличие явных внутренних несогласий и признаки захороненных осадочных волн в структуре дрифтов (рис. 2а). Обнаружение дрифтов такого масштаба возможно только низкочастотными сейсмическими методами.

В 33-м, 35-м, 37-м и 43-м рейсах НИС «Академик Иоффе» впервые обнаружены и исследованы две системы каналов и контуритовых дрифтов на подножии южного уступа плато Сан-Паулу (Аргентинская котловина) и в районе южного фланга канала Колумбия (Бразильская котловина) [Murdmaa et al., 2012; Борисов и др., 2013а, 20136].

На подножии южного уступа плато Сан-Паулу, в интервале глубин 36003900 м, сейсмопрофили пересекли идущий вдоль уступа канал глубиной 45-140 м и шириной по профилям в верхней части сечения 4.45-5.25 км. На северном более крутом борту канала наблюдаются признаки эрозии, а к противоположному борту приурочен крупный, вытянутый вдоль уступа дрифт высотой 110 м и шириной по профилям до 19.5 км. С вершины дрифта отобрана колонка АИ-2563 (рис. 36, в) [Борисов и др., 20136]. Характерная геометрия, а также положение относительно канала и уступа плато соответствуют «изолированному» контуритовому дрифту по классификации [Hernandez-Molina et al., 2008]. На оси канала обнаружено валообразное осадочное тело без внутренних рефлекторов, высотой 20-40 м, которое по геометрии, размерам и положению подходит под определение

«приуроченного к каналу» дрифта (рис. 36). Небольшой «изолированный» дрифт обнаружен также на террасе, врезанной в уступ плато.

В Бразильской котловине на подножье северного склона горы Сан-Томе в районе южного фланга канала Колумбия (рис. 1, 4г) изучена серия пологих «изолированных» дрифтов, разделенных каналами. Дрифты, обнаруженные на глубине 4100 м, сложены акустически тонко стратифицированной осадочной толщей, которая прослеживается на записях «SES-2000 deep» до глубины 10-15 м (рис. 4а). Дрифт, с вершины которого отобрана колонка АИ-2445, имеет овальную, форму, высоту 25 м и размеры в плане 1.9 х 2.9 км. Сходные размеры, вероятно, имеет смежный дрифт. К югу от АИ-2445, с вершины самого крупного дрифта серии получена колонка АИ-3150 (рис. 4а). Данный дрифт характеризуется сложной полого волнистой морфологией и достигает 5.8 км по протяженности и 20 м в высоту.

ось глубоководного канала(каньона) зона трансформных разломов

ось контуритового I дрифта уступ плато Сан-Паулу

- подводная гора

- направление придонных течений

Рис. 1. Схема рельефа района исследований с указанием направлений придонных течений (белые стрелки - направление течения САГВ, синие - направления течений НЦПВ и УГВ). 1 - дрифты Юинга, 2 - плато Сайта Катарина, 3 - котловина Сантус, 4 - канал Вима, 5

- возвышенность Риу-Гранди, 6 - канал Хантера, 7 - каньон Кананея, 8 - плато Сан-Паулу, 9

- зона трансформных разломов Риу-Гранди, 10 - канал Колумбия, 11 - подводная гора Сан-Томе, 12 - горы Витория-Триндади.

Каналы имеют глубину до 40 м и ширину в верхней части сечения до 800 м (рис. 4а). Южные борта каналов более крутые, с признаками эрозии (выклиниванием рефлекторов) (рис. 46), к более пологим северным бортам приурочены «изолированные» дрифты. Каналы и дрифты ориентированы примерно параллельно изобатам и предположительному направлению придонного течения антарктических вод (рис. 4г). На контуритовое происхождение дрифтов указывает их характерная геометрия, ориентировка относительно изобат и положение относительно каналов [Мшт1таа е! а1., 2012; Борисов и др., 2013а].

дрифт Сайта "

4 кГц

плато Санта Катарина

плато Санта Катарина

2 §

- со га со

Рис. 2. Поле контуритовых осадочных волн на СЗ Аргентинской котловины [Борисов и др., 2013в] (с дополнениями автора): а) фрагмент сейсмопрофиля с элементами

интерпретации, полученного в районе плато Сан-Паулу; б) фрагмент сейсмопрофиля SES (осадочные волны на северном склоне плато Сайта Катарина); в) фрагмент сейсмопрофиля SES на плато Санта Катарина; г) фрагмент сейсмопрофиля SES (захороненные осадочные волны в котловине Сантус); д) корреляция колонок донных осадков с сейсмопрофилями SES (запись в дрейфе судна); Ц - цвет осадка, Т - текстура, ГТ - генетический тип осадка, Стр -предварительное стратиграфическое расчленение по планктонным фораминиферам, В -влажность осадка, П - плотность осадка, К - контуриты, Г - гемипелагиты; 1 - глинистый ил с примесью СаСОз, 2 - глинистый ил, 3 - силтово-глинистый ил, 4 - силт, 5 - песок, 6 -прослой силта и песка, 7 - хардграунд, 8 - резкий контакт, 9 - постепенный переход, 10 -неровный / эрозионный контакт (перерыв), 11 - нечеткая полосчатость, 12 - горизонтальная слоистость, 13 - волнистая слоистость, 14 - биотурбация, 15 - предполагаемая граница между ИКС, 16 - нормальная градационность, 17 - фораминиферовый песок; е) Схема рельефа дна с указанием положения сейсмопрофилей, геологических станций и направлений придонных течений антарктических вод, I - плато Санта Катарина, II - котловина Сантус, III - плато Сан-Паулу; 18 - геологическая станция, 19 - сейсмопрофиль SES (зеленый), прочие сейсмопрофили (красный), 20 - граница незахороненной части поля осадочных волн, 21 -граница захороненной части поля осадочных волн.

IАИ-2563

.........

1 км : é Г"

ЮЗ * ^ СВ

аккумуляция эрозия

плато Сан-Паулу

СВ

о

о ю со со

о ю ю со

о ю

со

Рис. 3. Контуритовая эрозионно-аккумулятивная система у подножия южного уступа плато Сан-Паулу [Борисов и др., 20136]) (с дополнениями автора): а) корреляция колонки

донных осадков АИ-2563 с сейсмопрофилем SES; б) фрагмент сейсмопрофиля SES с элементами интерпретации; 1 - направление экмановского транспорта, 2 - латеральный перенос взвеси, 3 - направление потока от читателя; в) фрагмент сейсмопрофиля SES на подножьн плато Сан-Паулу; г) положение профиля SES и колонки донных осадков с указанием направления придонного течения антарктических вод. Условные обозначения приведены в подписи к рис. 2.

Рис. 4. Контуритовая эрозионно-аккумулятивная система в районе канала Колумбия (Бразильская котловина) [Борисов и др., 2013а] (с дополнениями автора): а) фрагмент сейсмопрофиля SES с элементами интерпретации, полученного в районе южного фланга канала Колумбия (направления потоков вод - от читателя); б) выклинивание рефлекторов на борту контуритового канала; в) корреляция колонок донных осадков с сейсмопрофилями SES (запись в дрейфе судна); г) схема рельефа дна с указанием положения сейсмопрофилей и колонок, а также направлений течений антарктических вод (коричневые стрелки -предположительные направления гравитационных потоков). Условные обозначения в подписи к рис. 2, 3.

Обе рассмотренные системы расположены на глубинах, где придонная циркуляция контролируется течениями антарктических вод.

Поля контуритовых осадочных волн занимают огромные площади в районе исследования и распространены большей частью на континентальном подножии в северо-западной части Аргентинской котловины. На сейсмопрофилях SES обнаруженные осадочные волны характеризуются преимущественно симметричной формой и отсутствием признаков миграции их вершин. На склонах отдельных волн наблюдаются признаки эрозии, однако никакой закономерности в их появлении не отмечено.

Наиболее крупные осадочные волны покрывают поверхность контуритовых дрифтов на плато Санта Катарина и его подножии в интервале глубин 3500^000 м (рис. 2а, б, в). На сейсмопрофилях волны лучше всего выражены на южном склоне плато. Их высота постепенно уменьшается от 60 до 10-20 м на север, к вершине плато, затем увеличивается на северном склоне до 20^Ю м и вновь уменьшается на плато Сантус до 10 м. Уменьшение высоты волн на плато наблюдается также с востока на запад.

По данным многолучевого эхолотного промера установлено, что волны ориентированы под небольшим углом к изобатам, на северо-восточном склоне плато и его подножии гребни волн слегка извилистые, наблюдается их бифуркация. Расстояние между гребнями сокращается на СЗ от 4 до 1.5 км. На сейсмопрофиле видно, что обнаруженные волны не связаны с неровностями акустического фундамента (рис. 2а). Симметричная форма, уменьшение высоты и длины волн в сторону континента, а также малая амплитуда рефлекторов свидетельствуют о контуритовой природе осадочных волн. Поле контуритовых волн занимает площадь около 48000 км2 и простирается на север от плато Санта Катарина через котловину Сантус к плато Сан-Паулу [Борисов и др., 2013в]. С вершин волн в центральной и северной части плато получены колонки АИ-2443 и АИ-3154.

К югу от поля волн на южном склоне и подножии плато Санта Катарина обнаружены массивные отложения с мелко-холмистым рельефом поверхности и хаотической внутренней структурой (вероятно оползни).

В северной части котловины Сантус наблюдается заполнение впадин между волнами, которое прогрессирует на север и приводит к полному захоронению осадочных волн. Сейсмофация отложений, заполняющих пространство между волнами и впоследствии перекрывающих их, характеризуется четкой почти горизонтальной акустической стратификацией и более сильными рефлекторами по сравнению с сейсмофацией захороненных волн [Борисов и др., 2013в] (рис. 2г). Горизонтально стратифицированные отложения выклиниваются у подножья южного уступа плато Сан-Паулу.

Поля контуритовых осадочных волн обнаружены у подножия восточного уступа плато Сан-Паулу, а также к юго-востоку от канала Вима. Все они выявлены на глубинах 3350-4000 м и большей частью находятся под влиянием придонных

течений антарктических вод. По предварительным оценкам поля контуритовых волн занимают в районе исследования площадь не менее 100 ООО км2.

Акустические образы контуритов составляют на сейсмопрофилях SES 63.3%: из них контуритовые осадочные волны - 37.2 % (в том числе 5% захороненные); валоподобные контуритовые дрифты - 2.4%; сейсмофации с четкой акустической стратификацией, низкой амплитудой и пологой ундуляцией рефлекторов - 9.7%, сейсмофации с четкой стратификацией, высокой амплитудой, протяженностью и пологой ундуляцией рефлекторов, а также небольшой глубиной проникновения сигнала ниже поверхности дна (10-20м) - 14%. Последний тип сейсмофаций распространен на юго-западе Бразильской котловины в районе канала Колумбия. Их контуритовая природа установлена путем прямой корреляции с колонками донных осадков АИ-2561 (22°18.88'ю.ш., 36°35.80' з.д., глубина 4053 м, длина 1.94 м) и АИ-2562 (22°37.8' ю.ш., 36°47.5' з.д., глубина 3950 м, длина 3 м). Высокая амплитуда рефлекторов и малая глубина проникновения сигнала обусловлены многочисленными песчаными прослоями.

Сейсмофации с хаотической внутренней структурой и мелкохолмистым рельефом обнаружены на 17.4% сейсмопрофилей; сейсмофации без акустической стратификации, с пологим рельефом составляют 10%; сейсмофации, характеризующиеся четкой акустической стратификацией, ровными, параллельными, протяженными рефлекторами - 9.3%.

4.2. Литология контуритов. Вещественный и гранулометрический состав контуритов сильно варьирует вдоль и поперек континентального склона. В северозападной части Аргентинской котловины контуриты представлены сероцветными терригенными силтово-глинистыми и глинистыми илами с тонкими прослоями и линзами силта и песка. В разрезах колонок контуриты переслаиваются с гемипелагитами и редкими турбидитами.

На юго-западе Бразильской котловины контуриты представлены преимущественно красноцветными миопелагическими глинами, иногда с тонкими песчаными прослоями, окисленными на всю вскрытую колонками мощность. Вклад турбидитов в осадконакопление усиливается в районе канала Колумбия.

В результате сопоставления колонок ИО РАН с иностранными колонками установлено, что контуритами в районе исследования представлены 62% разрезов (что близко к доле контуритовых сейсмофаций на сейсмопрофилях), доля гемипелагитов составляет — 35.2%, а турбидитов — 2.8%.

Таким образом, можно утверждать, что в строении верхнечетвертичного чехла аккумулятивного шлейфа континентального подножия Уругвая и Бразилии доминируют контуриты, отложенные придонным течением антарктических вод.

По данным колонок, отобранных с вершин дрифтов эрозионно-аккумулятивных систем, выявленных у подножия уступа плато Сан-Паулу (АИ-2563) и в районе канала Колумбия (АИ-2445 и АИ-3150), установлен смешанный генезис дрифтов при доминирующей роли придонных течений в их формировании.

16

В разрезе, вскрытом колонкой АИ-2563 (28°24' ю.ш., 43°17' з.д., глубина 3620 м, длина 4.85 м), доминируют глинистые контуриты (серые глинистые илы с уплотненными прослоями (хардграундами) и нечеткой полосчатостью), которые в верхней части колонки (49-112 см) перекрываются слоем гемипелагитов (очень однородный серый глинистый ил). В основании окисленного слоя обнаружен прослой песка (44-49 см). Отмечается значительное (а в некоторых интервалах -полное) растворение раковин фораминифер. Самый сильный рефлектор на сейсмопрофиле соответствует песчаному прослою, более слабые рефлекторы -уплотненным прослоям (рис. За). Пилотный анализ фауны в полученной колонке указывает на то, что интервал 0-10 см относится к голоцену (ИКС 1), интервал (-10-80 см) с обедненной фауной к терминации I, а интервал (-80-475 см) с сильным растворением планктонных фораминифер и увеличением численности и разнообразия холодноводных видов - к последнему оледенению. В нижней части колонки (475^185 см) вскрыты отложения конца последнего — земского межледниковья (ИКС 5.5), либо межстадиала последнего оледенения (ИКС 3) [Борисов и др. 20136].

В колонках АИ-2445 (2Г38.30' ю.ш., 36°40.10' з.д., глубина 4108 м, длина 2,2 м) и АИ-3150 (21°40.237' ю.ш., 36°41.178' з.д., глубина 4090 м, длина 2,61 м), полученных с вершин двух соседних дрифтов, вскрыто чередование турбидитных циклитов и преобладающих глинистых и силтово-глинистых контуритов. О контуритовой природе осадков свидетельствует биотурбация и прослои хорошо отсортированного тонкозернистого песка. Циклиты соответствуют на сейсмопрофиле трем интенсивным рефлекторам, самый сильный из которых коррелирует с базальным членом известкового турбидитного циклита. Данный циклит, обнаруженный в обеих колонках на глубине около 1 м, представлен фораминиферовым песком со значительной примесью кварца и характеризуется градационной текстурой. Верхние тонкозернистые члены циклита предположительно срезаны придонным течением антарктических вод, о чем свидетельствует резкий (эрозионный?) контакт фораминиферового песка с вышележащим глинистым контуритом [Мигс1таа е1 а1., 2012]. Контуриты на сейсмопрофиле соответствуют акустически прозрачным интервалам (рис. 4в).

Наряду с изменениями высоты осадочных волн в пределах поля их распространения на плато Санта Катарина и в котловине Сантус, наблюдаются изменения гранулометрического состава контуритов.

Колонки АИ-2443 (30°36.20' ю.ш., 44°16.97' з.д., глубина 3410 м, длина 3.42 м) и АИ-3154 (30°04.74Г ю.ш., 43°51.458' з.д., глубина 3592 м, длина 4.75 м), полученные на вершинах осадочных волн в центральной части плато Санта Катарина и на его северном склоне (соответственно), вскрыли разрез биотурбированных сероцветных глинистых илов с примесью СаС03 и многочисленными уплотненными прослоями (рис. 4в). Однако количество терригенного силта в колонке АИ-3154 больше, чем в колонке АИ-2443. Это

означает, что состав контурнтов становится более крупнозернистым от вершины плато к его склонам.

По данным пилотного анализа фауны фораминифер, вскрытый колонкой АИ-2443 возраст осадков в интервале 0-230 см не превышает 130 тыс. лет. В данной колонке также отмечается значительное разбавление биогенного материала терригенным (предположительно из залива Ла-Плата).

По данным колонок, отобранных в захороненной части поля осадочных волн (АИ-3153, GeoB2112-3), установлено, что захоронение волн является результатом взаимодействия нескольких процессов осадконакопления. Колонка АИ-3153 (29°17.95' ю.ш., 43°13.32' з.д., глубина 4040 м, длина 3.28 м) вскрыла разрез силтовых и силтово-глинистых контуритов, переслаивающихся с гемипелагитами (на 50-188 см) (рис. 2д). Колонка GeoB2112-3 (29°07.8' ю.ш., 43°22.6' з.д., глубина 4010 м, длина 7.15 м), полученная в той же части поля волн к северу от АИ-3153, представлена доминирующими песчано-силтово-глинистыми контуритами, переслаивающимися в верхней части колонки с гемипелагитами (серый гомогенный глинистый ил) и турбидитным циклитом мощностью 26 см. Возраст осадка в нижней части колонки GeoB2112-3 предположительно не превышает 150 тыс. лет [Bleil et al., 1993].

В захороненной части поля с юга на север в составе контуритов наблюдается увеличение доли терригенного песка и силта. Преобладание контуритов в разрезах колонок свидетельствует о первостепенной роли придонных течений антарктических вод в захоронении осадочных волн при доминировании в отдельные периоды гемипелагической седиментации и эпизодической активности гравитационных (турбидных) потоков.

Наибольшие значения концентрации взвеси (10-40 мкг/л) и мощности придонного нефелоидного слоя (1000-2000 м) приходятся на интервалы глубин, контролируемые антарктическими водами [Biscaye et al., 1978].

Глава 5. Формирование эрозионно-аккумулятивных контуритовых систем на континентальном подножии Южной Америки в позднечетвертичное время

Предполагается, что дрифты в районе южного уступа плато Сан-Паулу и южного фланга канала Колумбия имеют генетическую связь со смежными каналами (рис. Зв, 4а) [Борисов и др., 2013а, б]. Эта связь обусловлена неразрывностью процессов эрозии и аккумуляции под действием придонного течения антарктических вод. Неразрывность этих процессов выражается на сейсмопрофилях в виде последовательной смены областей эрозии, неотложения и аккумуляции в пределах каждой пары дрифт-канал (рис. 36, 4а). Генетическая связь между дрифтом и каналом является основным критерием для объединения их в эрозионно-аккумулятивную систему. Несколько подобных дрифтов и каналов могут формировать более сложные системы (рис. 4а). Основным условием существования контуритовых эрозионно-аккумулятивных систем является

доминирование придонных течений в осадконакоплении. На изменения внешних условий (в т.ч. изменения скорости и направления придонных течений) эрозионно-аккумулятивные системы реагируют как единое целое. Вариации данных параметров отражаются в геометрии систем и гранулометрическом составе слагающего их осадка.

Канал, отделяющий дрифт от уступа плато Сан-Паулу, предположительно, имеет смешанный генезис. Он лежит на продолжении каньона Кананея, тянущегося через плато почти от бровки шельфа до континентального подножия, и совпадает с одним из разломов зоны Каприкорнио (рис. 1). Под действием придонных течений канал был выработан вдоль уступа плато по ослабленной разломом зоне. В этом районе движущееся на север контурное течение НЦПВ упирается в южный уступ плато Сан-Паулу и вынужденно поворачивает на восток (рис. Зг). Увеличение уклона поверхности дна в районе уступа плато, прижимание потока антарктических вод к уступу и смещение к нему ядра потока под действием силы Кориолиса обуславливают увеличение скорости течения. В области перехода от уступа к более пологой поверхности континентального подножия возникает эрозия, вырабатывается канал [Борисов и др., 20136]. Большое количество взмученного осадочного материала частично транспортируется по направлению течения, однако часть взвеси переносится в латеральном направлении перпендикулярно потоку (вправо по ходу его движения) под действием экмановского транспорта [напр., DeMadron, Weatherly, 1994] (рис. 36). Легко переваливая через борт канала из-за небольшой разницы по плотности с окружающей водой, взвесь осаждается по мере удаления от оси потока и уменьшения его скорости. Данная схема хорошо согласуется с моделью, представленной в работе [Stow et al., 2008]. Для всех подобных систем в Южном полушарии эрозия будет наблюдаться слева по ходу движения потока, а аккумуляция - справа.

Во время последнего оледенения предположительно имел место подъем верхней границы глубинных вод моря Уэдделла (наиболее агрессивных по отношению к карбонатным микрофоссилиям), отразившийся в сильном растворении раковин планктонных фораминифер в колонке АИ-2563 [Борисов и др., 20136]. Уплотненные прослои в колонке, вероятно, соответствуют локальным перерывам в осадконакоплении, связанным с периодами интенсификации придонных течений во время последнего оледенения.

Дрифты и каналы в районе южного фланга канала Колумбия образованы придонными течениями по сходной схеме. Исходя из конфигурации контуритовой системы и относительного положения областей эрозии и аккумуляции на бортах каналов, установлено, что потоки вод двигались параллельно изобатам и огибали гору Сан-Томе (рис. 4г). Предполагается, что гора разбивает единый равномерный поток на несколько ветвей, огибающих ее с востока и запада. Увеличение уклона поверхности, вдоль которой движется поток, приводит к возрастанию его

скорости. При этом в структуре потока возникают неоднородности - локальные максимумы скоростей. Вероятно, внутренние неоднородности потока явились причиной локальной эрозии дна (образования промоин). В ходе углубления промоин под действием течения происходило формирование каналов, на северных бортах которых образовывались дрифты (рис. 4а). Вследствие небольшой глубины каналов эрозия имеет место на двух бортах отдельных каналов [Борисов и др., 2013а]. Основное отличие данной системы от эрозионно-аккумулятивной системы у подножия плато Сан-Паулу состоит в иной структуре потока антарктических вод - наличии не одного, а нескольких ядер потока (рис. 36,4а).

Гравитационные потоки с континентального склона периодически вносили в накопление глинистых контуритов более крупнозернистый материал (рис. 4г). Обнаруженные дрифты и каналы объединены в турбидит-контуритовую эрозионно-аккумулятивную систему по принципу общности сформировавших их процессов [Борисов и др., 2013а].

Увеличение высоты осадочных волн и количества силта в осадке от вершины к склонам плато отражает повышение скоростей придонных течений, которое связано с увеличением уклона поверхности дна. Уменьшение высоты волн на плато с востока на запад предположительно связывается с тем, что плато разбивает течение антарктических вод на две ветви, и восточная ветвь прижимается силой Кориолиса к склону плато (рис 2е). В результате возникает разность скоростей течений на восточном и западном склоне. Симметричная форма обнаруженных осадочных волн и отсутствие общего тренда миграции их вершин может означать, что в последние как минимум 130 тыс. лет средние скорости придонных течений были недостаточны для образования мигрирующих волн (менее 9 см/с), либо что придонные течения в данном районе часто меняют свое направление.

Захоронение осадочных волн продолжается по предварительным оценкам не менее 150 тыс. лет. Этот процесс может быть обусловлен значительным ослаблением течения антарктических вод или смещением его основных ветвей. Во время последней дегляциации скорость придонного течения в данном районе снизилась настолько, что стала возможной фоновая гемипелагическая седиментация. Это подтверждают слои гемипелагического глинистого ила в верхней части трех колонок (АИ-2563, АИ-3153 и GeoB2112-3). Данное предположение не противоречит предварительному стратиграфическому расчленению колонок по планктонным фораминиферам.

Наличие древних захороненных волн в структуре дрифта на плато Санта Катарина (рис. 4а) доказывает, что процесс наращивания дрифта неразрывно связан с формированием и захоронением осадочных волн на его поверхности. Оба процесса происходили под действием придонных течений антарктических вод, что дает основание рассматривать дрифт и покрывающие его осадочные волны как единую контуритовую систему.

Заключение

Контуриты, отложенные под влиянием придонных течений антарктических вод, доминируют в строении верхнечетвертичного чехла аккумулятивного шлейфа континентального подножия Уругвая и Бразилии. Это подтверждают сейсмоакустические данные сверхвысокого разрешения и колонки донных осадков, полученные в пяти рейсах НИС «Академик Иоффе» (рейсы 32, 33, 35, 37, 43). Анализ и высокоточная корреляция сейсмопрофилей и колонок выявили в районе исследования многообразие акустических образов контуритов и значительные вариации их вещественного и гранулометрического составов.

На северо-западе Аргентинской котловины, где основным источником осадочного материала является залив Ла-Плата, контуриты представлены преимущественно серыми силтово-глинистыми и глинистыми илами, которые переслаиваются с гемипелагитами и редкими турбидитами. На юго-западе Бразильской котловины контуриты представлены преимущественно красноцветными миопелагическими глинами, переслаивающимися с турбидитами, в том числе известковыми, роль которых в осадонакоплении значительно возрастает в районе канала Колумбия.

Установлено, что контуриты слагают обширные поля осадочных волн и дрифты различного масштаба. В большинстве случаев обнаруженные дрифты ориентированы вдоль континентального склона и генетически связаны с каналами, так же сформированными под действием придонных течений антарктических вод. Каналы и дрифты, впервые обнаруженные у южного уступа плато Сан-Паулу и на южном фланге канала Колумбия, объединены в смешанные гемипелагит-контуритовую и турбидит-контуритовую системы по принципу общности сформировавших их процессов.

Размеры и форма осадочных волн на северо-западе Аргентинской котловины являются критериями для качественной оценки вариаций скоростей придонных течений в пространстве и времени. В районе исследования подобные вариации обусловлены как морфологическими особенностями дна, так и глобальными палеоклиматическими и палеоокеанологическими изменениями. На севере котловины имеет место захоронение осадочных волн контуритами и гемипелагитами, которое продолжается в течение как минимум последних 150 тыс. лет и связано с ослаблением придонных течений антарктических вод или смещением и перестройкой системы течений.

В ходе работы над диссертацией создан задел для решения важной фундаментальной проблемы - исследования роли придонных (контурных) течений в формировании аккумулятивного шлейфа континентального подножия пассивных континентальных окраин всего Атлантического океана.

По теме диссертации автором опубликованы следующие работы

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

21

1. Борисов Д.Г., Мурдмаа И.О., Иванова Е.В., Левченко О.В., Юцис В.В., Францева Т.Н. Контуритовые системы в районе южного эскарпа плато Сан-Паулу, Южная Атлантика// Океанология. 2013. Т. 53. № 4. С. 517-528.

2. Борисов Д.Г., Мурдмаа И.О., Иванова Е.В., Росляков А.Г., Ананьев Р.А. Эрозионно-аккумулятивная деятельность придонных течений на подножии континентального склона Бразилии // Докл. АН. 2013. Т. 452. № 3. С. 329-332.

3. Борисов Д.Г., Мурдмаа И.О., Иванова Е.В., Левченко О.В. Контуритовые системы на континентальном подножии Бразилии (Южная Атлантика) // Совр. проблемы науки и образования. 2013. № 5. URL: http:/www.science-education.ru/lll-10286.

Публикации в прочих изданиях:

4. Borisov D.G., Levchenka O.V., Murdmaa I.O., Ivanovo E.V. Mudwaves field in the Northwest Argentine basin (South Atlantic) // 30th IAS Meeting of Sedimentology, 2-5th September 2013. Programme and abstracts, Abstract T3S4 08.

5. Borisov D.G., Murdmaa I.O., Ivanovo E.V., Dmitrenko O.B., Levchenko O.V., Emelyanov E.M., Tarakanov R.Yu. A contourite drift in the Vema Channel region: paleoceanographic record of the Antarctic bottom water activity since the Pliocene // 11th International Conference on Paleoceanography (ICP 11). September 1-6, 2013. Barcelona-Sitges, Spain. Abstract P-014.

6. Borisov D.G., Murdmaa I.O., Ivanovo E.V., Levchenko O.V. Countourite accumulative and erosional features on the southern escarpment of the Sao Paulo Plateau // Dialogue Between Contourite and Oceanography Processes. International Workshop, Programme and abstracts. 28-29ft January, 2013. Hull. United Kingdom. P. 23.

7. Murdmaa I.O., Borisov D.G., Emelyanov E.M., Ivanovo E.V., Levchenko O.V. Lithology of Quaternary Contourites from Atlantic Continental Margins // Dialogue Between Contourite and Oceanography Processes. International Workshop, Programme and abstracts. 28-29ft January, 2013. Hull. United Kingdom. P. 28-29.

8. Borisov D.G., Murdmaa I.O., Ivanovo E. V, Levchenko О. V. Seismic facies of the continental rise off Uruguay and southern Brazil (South Atlantic) // 2nd Russia - China Symposium on Marine Science, 10-13th October, 2012. Vladivostok. Russia. P. 17-19.

9. Borisov D.G., Murdmaa l.O., Ivanovo E.V, Levchenko O.V Contourites from continental rise off Uruguay and southern Brazil (South Atlantic). At the edge of the sea: sediments, geomorphology, tectonics and stratigraphy in Quaternary studies // INQUA SEQS Meeting, Programme and abstracts. September, 2012. Sassari. Italy. P. 11-12.

10. Murdmaa, I. O., Borisov D.G., Ivanovo, E.V. et al. Very high resolution seismic profiling at the Brazil Margin // Eos Trans. AGU, 2012. V. 93. N. 25. P. 233-234.

11. Borisov D.G., Murdmaa I.O., Ivanovo E. V. et al. Contourites and turbidites in the Columbia Channel region // Geo-Temas, 2012.V. 13. P. 538.

12. Борисов Д.Г., Маринова Ю.Г. Сейсмофации контуритов на континентальном подножии С-3 склона Аргентинской котловины // Геология морей и океанов: Материалы XVII Международной конференции (Школы) по морской геологии, ноябрь 2011 г. Том V. - М.: ГЕОС, 2011. С. 47-51.

Заказ № 61-а/11/2013 Подписано в печать 18.11.2013 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,0

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таИ:zak@cfr.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Борисов, Дмитрий Геннадьевич, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

04201450491 На правах рукописи

БОРИСОВ Дмитрий Геннадьевич

КОНТУРИТЫ НА КОНТИНЕНТАЛЬНОМ ПОДНОЖИИ

ЮЖНОЙ АМЕРИКИ

Специальность 25.00.28 - Океанология

диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор И.О. Мурдмаа

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................4

ГЛАВА 1. КОНТУРИТЫ: ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ, КЛАССИФИКАЦИЯ, УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ........................................11

1.1. Придонные течения, придонный пограничный слой........................................11

1.2. Аккумулятивные тела контуритов......................................................................15

1.2.1. Диагностические критерии и классификация контуритов...........................15

1.2.2. Типы контуритовых дрифтов..................................................................................18

1.2.3. Осадочные волны контуритовой природы.........................................................24

1.2.4. Литология контуритов................................................................................................26

1.3. Эрозионные контуритовые формы рельефа.......................................................30

1.4. Взаимоотношение процессов седиментации со скоростями придонных течений..........................................................................................................................34

ГЛАВА 2. ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЙ, ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ И ОКЕАНОГРАФИЧЕСКИЙ ОЧЕРК..........................................................................35

2.1. Рельеф и геологическое строение дна.................................................................35

2.1.1. Рельеф дна.......................................................................................................................35

2.1.2. Мощность и строение осадочной толщи, скорости осадконакопления ..43

2.2. Гидрология.............................................................................................................45

2.2.1. Аргентинская котловина............................................................................................45

2.2.2. Бразильская котловина...............................................................................................52

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................................53

3.1. Сейсмические методы..........................................................................................53

3.2. Отбор колонок донных осадков...........................................................................54

3.3. Обработка колонок донных осадков...................................................................55

3.4. Обработка гидрологических данных..................................................................60

ГЛАВА 4. КОНТУРИТОВЫЕ СИСТЕМЫ НА КОНТИНЕНТАЛЬНОМ ПОДНОЖИИ ЮЖНОЙ АМЕРИКИ.........................................................................61

4.1. Сейсмические образы контуритов.......................................................................61

2

4.1.1. Контуритовые дрифты и каналы............................................................................64

4.1.2. Осадочные волны.........................................................................................................82

4.2. Вещественный и гранулометрический состав контуритов...............................92

4.3. Характеристики нефелоидного слоя.................................................................136

ГЛАВА 5. ФОРМИРОВАНИЕ ЭРОЗИОННО-АККУМУЛЯТИВНЫХ КОНТУРИТОВЫХ СИСТЕМ НА КОНТИНЕНТАЛЬНОМ ПОДНОЖИИ ЮЖНОЙ АМЕРИКИ В ПОЗДНЕЧЕТВЕРТИЧНОЕ ВРЕМЯ...........................142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................153

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................155

Приложение 1...............................................................................................................170

Приложение 2...............................................................................................................171

Приложение 3...............................................................................................................173

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. История изучения контуритов, осадков, отложенных или переотложенных придонными течениями [Stow et al., 2002а, b; Rebesco, 2005; Stow, Faugeres, 2008], насчитывает около 45 лет. Впервые данный термин был употреблен Б. Хизеном и Ч. Холлистером для описания осадков, отложенных под действием Западного пограничного течения на подножии континентального склона Северной Америки [Heezen, Hollister, 1964]. Способность придонных течений образовывать аккумулятивные и эрозионные формы рельефа под действием придонных течений описана в многочисленных работах [например, Kennett, 1982; Masson, 2001; Hernandez-Molina et al., 2006]. Аккумулятивные тела контуритов получили название «дрифты», а эрозионные каналы и террасы, сформированные под действием придонных течений, как правило, упоминаются с приставкой «контуритовые» для обозначения их генезиса. Диагностирование контуритов является зачастую непростой задачей, поскольку контуритовые дрифты имеют разнообразную геометрию и могут быть представлены отложениями различного вещественного и гранулометрического составов. Кроме того, придонные течения активно взаимодействуют с другими процессами осадконакопления (в том числе гравитационными потоками и фоновой гемипелагической/пелагической седиментацией), и результатом такого рода взаимодействий являются аккумулятивные тела смешанного генезиса. В этой связи разработан ряд диагностических критериев для распознавания контуритов по сейсмическим и литологическим данным, а также фотографиям дна. Совокупности генетически связанных эрозионных и аккумулятивных форм, образованных придонными течениями одних и тех же вод, составляют эрозионно-аккумулятивные контуритовые системы. Несколько смежных эрозионно-аккумулятивных систем могут образовывать эрозионно-аккумулятивные комплексы.

Район исследования охватывает отрезок континентального подножия в северо-западной части Аргентинской и юго-западной части Бразильской котловин. Север Аргентинской котловины отличается высокими скоростями и относительной стабильностью течений антарктических вод, которые формируют в котловине

несколько крупных круговоротов, а также большими значениями привноса терригенного материала из залива Ла-Плата - от 80 млн. т/год [Gilberto et al., 2004] до 97 млн. т/год [Лисицын, 1978]. Такие условия благоприятны для формирования контуритовых дрифтов различных типов и размеров [Лукашин, 2008]. На юге Бразильской котловины количество поступающего с континента терригенного материала сравнительно мало, а его транспортировка на континентальное подножие осуществляется преимущественно эпизодическими гравитационными потоками [Емельянов, 1982; Скорнякова и др., 1992; Emelyanov, 2008]. Данная работа направлена на изучение эрозионно-аккумулятивных систем на северо-западе Аргентинской и юго-западе Бразильской котловин.

За последние 15 лет интерес мирового научного сообщества к проблеме контуритов значительно вырос. Это связано не только с широким распространением данного генетического типа отложений на континентальных окраинах, но и с большим значением контуритов для палеоокеанологии [Mienert et al., 1994; Rebesco, Camerlenghi, 2008]. Мощные осадочные толщи контуритовых тел, которые почти непрерывно накапливались в течение сотен тысяч и даже нескольких миллионов лет, содержат в себе палеоклиматическую и палеоокеанологическую информацию о вариациях придонной циркуляции вод (в том числе о скоростях течений).

Крупнозернистые контуриты привлекают к себе внимание ведущих мировых нефтегазовых компаний, как перспективные нетрадиционные коллекторы нефти и газа [Viana et al., 2007, 2008]. Высокие скорости накопления контуритов, преимущественно рыхлых тонкозернистых отложений с высоким содержанием поровой воды, порождают нестабильность склона, что является причиной схода оползней и гравитационных потоков, которые представляют опасность для газопроводов, кабелей и инженерных сооружений на континентальном склоне и его подножии [Rebesco, Camerlenghi, 2008; Krastel et al., 2011].

Актуальность проблемы контуритов подчеркивается организацией в 2012 г.

сразу двух международных проектов, направленных на всестороннее изучение

данного генетического типа отложений: IGCP 619 Contourites: geological record of

ocean-driven paleoclimate, accomplice of submarine landslides and reservoir of marine

geo-resources; INQUA Project 1204 The Quaternary Contourite Log-book: a deep-water

5

record(er) of variability in palaeoclimate, palaeoceanography and deep-water ecosystems. Кроме того, за последние несколько лет в рамках проекта глубоководного бурения были проведены две экспедиции (IODP 339, 342) с целью изучения внутренней структуры гигантских контуритовых дрифтов в заливе Кадис и районе Большой Банки (район гибели «Титаника»).

Острой проблемой в области изучения контуритов является установление диагностических признаков контуритов, отличающих их от других генетических типов глубоководных отложений (турбидитов и гемипелагитов).

Исследование контуритов в районе континентального подножия Бразилии и Уругвая актуально в силу того, что здесь на контрастных примерах северозападной части Аргентинской и юго-западной части Бразильской котловин можно решить такие общие проблемы, как влияние интенсивности терригенного питания и морфологии дна на формирование контуритов, а также усовершенствовать подходы и методы распознания контуритов по сейсмическим и литологическим данным.

Цели и задачи исследования. Цель данного исследования заключается в определении роли придонных (контурных) течений в формировании аккумулятивного шлейфа континентального подножия Уругвая и Бразилии в северо-западной части Аргентинской и юго-западной части Бразильской котловин.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

■ Проследить сейсмофациальную изменчивость четвертичных отложений в районе исследования по данным сейсмоакустического профилирования сверхвысокого разрешения, выполненного с помощью акустической системы «SES 2000 deep».

■ Проследить изменения генетических типов четвертичных отложений вдоль и поперек склона по данным колонок донных осадков.

■ Провести прямую корреляцию колонок донных осадков с сейсмозаписями для установления природы отражающих границ вдоль сейсмоакустических профилей и определения генетических типов осадков по их акустическим образам.

■ Выявить в районе исследования эрозионные и аккумулятивные формы рельефа, образованные под действием придонных течений или при их активном участии.

■ Соотнести глубину нахождения, размеры и геометрию обнаруженных контуритовых форм рельефа с современным положением уровней высоких градиентов плотности воды и характером взаимодействия придонных течений с дном, косвенно определенным по данным нефелометрических исследований.

■ Оценить вклад гравитационных потоков осадочного материала и фоновой гемипелагической седиментации в формирование контуритовых дрифтов.

■ Объединить контуритовые формы рельефа в эрозионно-аккумулятивные системы по принципу общности формировавших их процессов и определить границы распространения этих систем.

Научная новизна. Впервые в данном регионе выполнена прямая высокоточная корреляция сейсмозаписей сверхвысокого разрешения с колонками донных осадков. В районе исследования выявлено две новых контуритовых системы, состоящих из генетически связанных дрифтов и каналов, образованных под действием придонных течений антарктических вод. Определены границы поля иловых осадочных волн на северо-западе Аргентинской котловины. По конфигурации эрозионно-аккумулятивных систем в районе канала Колумбия (Бразильская котловина) реконструирована траектория сформировавших систему потоков.

Практическая значимость. Актуалистические модели современных контуритовых систем могут служить основой для расшифровки строения их древних аналогов в нефтегазоносных бассейнах континентальных склонов. Разработанные автором подходы к комплексной фациально-генетической интерпретации сейсмофаций контуритов могут быть применены при инженерно-геологических изысканиях для оценки георисков, связанных с подводными оползнями и гравитационными потоками в областях высоких скоростей накопления тонкозернистых контуритов (рыхлых отложений с высоким содержанием поровой воды). Данные подходы могут быть также использованы в учебной практике студентов геологических ВУЗов.

Фактический материал. В рамках диссертационной работы рассмотрены 14 колонок донных осадков длиной 1.5-7 м (с глубин 3345-4108 м) и 7700 км сейсмоакустических профилей «SES 2000 deep», полученных в 32-м, 33-м, 35-м, 37-м и 43-м рейсах НИС «Академик Иоффе» на континентальном подножии Уругвая и Бразилии. Из базы данных GeoMapApp для изучения дополнительно были взяты более 7000 км профилей одноканального и многоканального сейсмопрофилирования, выполненного в районе исследования на НИС «Verna», «Robert Conrad», «Fred H. Moore», а также данные 133 нефелометрических станций [Biscaye et al., 1978]. В работе использованы данные многолучевого эхолотного промера рейса М29-2 НИС «Meteor», рейсов KN145L18 и KN159L5 НИС «Knorr», полученные из базы данных Национального центра обработки геофизических данных NOAA (NOAA NGDC). Из базы NOAA NGDC и отчетов рейсов М23-2, М29-2 и М43-2 НИС «Meteor» также взяты литологические описания 45 колонок донных осадков.

Защищаемые положения:

1) Данные сейсмоакустического профилирования сверхвысокого разрешения и их прямая высокоточная корреляция с колонками донных осадков доказывают, что в строении позднечетвертичной верхней части аккумулятивного шлейфа континентального подножия Уругвая и Бразилии преобладают контуриты, сформированные под действием придонных течений антарктических вод.

2) Генетически связанные аккумулятивные и эрозионные формы рельефа, образованные под действием контурных течений на подножии южного уступа плато Сан-Паулу и южного фланга канала Колумбия, составляют единые эрозионно-аккумулятивные системы.

3) Осадочные волны контуритового происхождения являются критерием для оценки интенсивности придонных течений в северо-западной части Аргентинской котловины, а их захоронение свидетельствует о низких скоростях течений, не препятствующих аккумуляции горизонтально залегающих тонкозернистых глинистых илов гемипелагического типа.

Личный вклад автора. В основу диссертации легли геологические и геофизические данные пяти рейсов НИС «Академик Иоффе», в трех из которых

(35-м, 37-м и 43-м) автор принимал участие. На практике были освоены такие методы морских геолого-геофизических работ, как отбор колонок донных осадков, включая их литологическое описание и измерение физических свойств осадка, а также непрерывное сейсмоакустическое профилирование с последующей первичной обработкой и интерпретацией сейсмопрофилей «SES 2000 deep». Автор принимал участие в прямой корреляции 14 колонок донных осадков с сейсмозаписями SES. Автор освоил методы работы с открытыми международными базами геолого-геофизических данных, а также методы обработки и интерпретации данных многолучевого эхолотного промера (из базы данных NOAA NGDC), одноканального и многоканального сейсмического профилирования (база данных GeoMapApp), результатов измерений на нефелометрических станциях. Автором построены и проинтерпретированы нефелометрические профили и карты распределения различных параметров нефелоидного слоя в районе исследования. Сопоставлены литологические разрезы 14 колонок, полученных в рейсах НИС «Академик Иоффе», с 45 иностранными колонками. В районе исследования автором выделены две ранее неизвестные эрозионно-аккумулятивные контуритовые системы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на Всероссийских и международных конференциях: XIX Международная научная конференция (Школа) по морской геологии (Москва, 2011 г.); VIII Geological Congress of Spain (Oviedo, Spain, 2012 г.); INQUA SEQS 2012 Meeting «At the Edge of the Sea: Sediments, Geomorphology, Tectonics and Stratigraphy in Quaternary Studies» (Sassari, Italy, 2012 г.); International Workshop Dialogue between Contourite and Oceanography Processes (Hull, United Kingdom, 2013 г.); 11th International Conference on Paleoceanography (Barcelona, Spain, 2013 г.), 30th IAS Meeting of Sedimentology (Manchester, UK, 2013 г), а также на семинарах Лаборатории геодинамики и палеоокеанологии ИО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, отражающих основные полученные выводы, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору, д.г.м.-н. И.О. Мурдмаа за помощь и советы на всех этапах подготовки диссертационной работы. Автор глубоко признателен д.г.-м.н Е.В. Ивановой за ценные рекомендации и замечания. За консультации и критические замечания автор благодарит к.г.-м.н. О.В. Левченко, А.Г. Рослякова, д.ф.-м.н. Е.Г. Морозова, к.ф.-м.н. Р.Ю. Тараканова, д.г.-м.н. В.Н. Лукашина, Н. МакКейва, X. Эрнандес-Молина, Б. Проя, Г. Эрсия. Отдельная благодарность участникам и экипажам 32-го, 33-го, 35-го, 37-го и 43-го рейсов НИС «Академик Иоффе». Автор искренне благодарит своих друзей и коллег H.A. Шульга, Е.А. Овсепян, Ю.Г. Маринову за поддержку и помощь в оформлении диссертации.

Автор сердечно благодарит своих родителей за всестороннюю помощь и поддержку.

ГЛАВА 1. КОНТУРИТЫ: ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ, КЛАССИФИКАЦИЯ, УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ

Термин «контуриты» был впервые предложен около полувека назад выдающимися американскими специалистами в области морской геологии и геофизики Брюсом Чарльзом Хизеном (Bruce Charles Heezen) из Геологической обсерватории Ламонт-Доэрти и Чарльзом Дэвисом Холлистером (Charles Davis Hollister) из Вудс-Хол