Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Плотностная модель литосферы океана при медленном спрединге

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Плотностная модель литосферы океана при медленном спрединге"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Зайончек Андрей Владимирович

УДК 551.24:551.14:550.83(261.1)

ПЛОТНОСТНАЯ МОДЕЛЬ ЛИТОСФЕРЫ ОКЕАНА ПРИ МЕДЛЕННОМ СПРЕДИНГЕ (по материалам площадных грав'-магнитных и батиметрических съемок на Канаро-Багамском геотраверсе)

Специальность: 04.00.12 - геофизические методы поисков и

разведки месторождений полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата пеолого-минералогических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре геофизики геологического факультета Санкт-Петербургского Государственного Университета и в отделе системных геолого-геофизических исследований Всероссийского научно-исследовательского института геологии и минеральных ресурсов Мирового океана

Научные руководители:

• доктор геолого-минералогических наук Мащенков Сергей Павлович

• доктор геолого-минералогических наук, профессор Миронов Валентин Сергеевич

Официальные оппоненты:

• доктор физико-математических наук, профессор Лобковский Леопольд Исаевич

• кандидат геолого-минералогических наук Ржевский Николай Николаевич

Ведущая организация:

Кафедра геофизических методов исследований земной коры Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова

Защита состоится июня 1998 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.063.57.18 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в СПбГУ по адресу: 199034, СПб, Университетская набережная, д.7/9, Геологический факультет, аудитория 347.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М. Горького в СПбГУ.

Автореферат разослан " " мая 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета В.А, Шашканов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Значительная роль в изучении строения литосферы Мирового океана принадлежит анализу поля силы тяжести, которое несет в себе отпечатки глубинных процессов, ответственных за образование и эволюцию океанической литосферы. Применение современных компьютерных технологий для решения прямых и обратных задач позволяет создавать и оценивать плотностные модели строения литосферы в трехмерном виде. Это существенно повышает достоверность результатов интерпретации даже в условиях сложно расчлененного рельефа дна в районах дивергентных границ и зон трансформных нарушений и позволяет получить информацию об особенностях процесса аккреции и эволюции океанической литосферы.

В практику интерпретации аномалий поля силы тяжести в океане внедрена технология трехмерного гравитационного моделирования, разработанная около 10 лет назад (Kuo and Forsyth, 1988). Однако, использованные авторами модель строения океанической литосферы и методика расчетов отвечали лишь узкой полосе рифтовой долины и пририфтовых гор, расположенных в пределах коры, имеющей возраст первые миллионы лет. Очевидно, что такая технология моделирования не может обеспечить интерпретации результатов съемок на акватории, где возраст коры исчисляется десятками миллионов лет, так как в этом случае изменяется соотношение процессов, в целом определяющих особенности строения и эволюции литосферы. Формальный перенос уже ставшей традиционной технологии 3-D гравитационного моделирования (Kuo and Forsyth, 1988) на исследование областей более зрелой литосферы приводит к тому, что аномалии поля силы тяжести повсеместно объясняются исключительно вариациями мощности коры и подъемом астеносферного вещества мантии, характерным только для рифтовых зон. Поэтому решение задачи разработки технологии трехмерного гравитационного моделирования районов внеосевых зон срединно-океанических хребтов (СОХ), где существенная часть аномалий поля силы тяжести может быть обусловлена особенностями плотностной структуры литосферы, представляется весьма актуальным.

Научное направление работы. Усовершенствование современной технологии трехмерного гравитационного моделирования, направленной на изучение строения океанической литосферы СОХ, их флангов и прилегающих котловин.

Пель работы. На основании грави-батиметрических данных по Канаро-Багамскому геотраверсу (КБГТ) установить пространственную связь рельефа дна и глубинной плотностной структуры литосферы с возрастом до 40 млн лет, сформированной в типичной тектонической обстановке низкоскоростного спрединга.

Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной проблемой работа состоит из трех частей. В первой рассматриваются вопросы, связанные с построением грави-батиметрической базы данных по результатам систематических региональных геотраверсных исследований на КБГТ. Вторая часть работы посвящена вопросам методики проведения 3-D гравитационного моделирования в океане. В заключительной части рассматривается глубинное строение литосферы исследуемого района.

Материалы, используемые в работе ч личный вклад автора. Результаты диссертационной работы получены в итоге шестилетних исследований автора при выполнении госбюджетных работ и грантов ISF и РФФИ в отделе системных геолого-геофизических исследований ВНИИОкеангеология. В ходе этих проектов автор занимался как методическими вопросами обработки, картографирования, создания базы данных по морским грави-батиметрическим материалам, так и разработкой технологии проведения трехмерного гравитационного моделирования литосферы океанического типа, интерпретацией геофизических материалов.

В основе работы лежат результаты комплексных геофизических исследований, накопленных в ходе выполнения программы Канаро-Багамского геотраверса, к которым относятся:

1. данные по геопотенциальным полям и рельефу дна по пяти площадным съемкам, выполненным в масштабе 1:2 ООО ООО в пределах съемочной полосы различными подразделениями ассоциации "Севморгеология";

2. данные по геопотенциальным полям и рельефу дна по трем трансатлантическим профилям, реализованным в рамках программы МГС;

3. данные по геопотенциальным полям и рельефу дна по двум зарубежным детальным площадным съемкам (С2511 и С2912, GEODAS-95), выполненным американскими исследователями в рамках реализации научной программы RIDGE в районе гребневой зоны САХ и трансформного разлома Кейн;

4. батиметрические данные по детальным полигонам в районе САХ (работы ш глубоководные полиметаллические сульфиды);

5. цифровые матрицы (гриды) значений глубин дна и аномального гравитационного поля полученные в ходе выполнения международных проектов компиляции данных (ЕТОРО-5 1995; Sandwell, 1995);

6. карты идентифицированных осей линейных магнитных аномалий м-ба 1:1 ООО ООС (Глебовский, 1992; Мащенков, 1994) и м-ба 1:5 ООО ООО (Roest, 1987);

7. результаты интерпретации трех широтных и трех меридиональных сейсмически? профилей MOB;

8. карты потенциальных полей и рельефа дна, построенные французскими исследователям! в рамках проекта SARA в районе САХ и его флангов по результатам детальных съемс» (Rommevaux et al., 1994; Pariso et al., 1995).

Защищаемые положения:

1. Грави-батиметрическая база данных по Канаро-Багамскому геотраверсу позволяеп обобщить разнообразные по масштабам съемок и их качеству материалы в единую сеть обеспечивающую возможность проведении трехмерного гравитационного моделирования < условиях сложнорасчленного рельефа дна. Разработанная компьютерная технология увязкг данных применима для компиляции различных типов грави-батиметрических измерений выполненных в различных районах Мирового океана.

2. Предложена новая технология 3-D гравитационного моделирования океанически: областей, которая позволяет исследовать особенности плотностной структурь литосферы с возрастом до первых десятков миллионов лет. Основным элементом даинсп технологии является расчет мантийных аномалий Буге с использованием моделей строент океанической коры, предусматривающих сглаживание плотностной границы, приуроченнох к разделу Мохоровичича или наличие изостатической компенсации в рамках модели Эйри.

3. Долгоживуи{ий характер среднемасштабной сегментации изученного отрезка Срединно Атлантического хребта отчетливо проявляется в мантийных аномалиях Буге отражающих трехмерную структуру мантийного апвеллинга. Интенсивны< отрицательные аномалиц, картирующие этот процесс, обусловлены наличием двух взаимш перпендикулярных систем плотностных неоднородностей, первая из которых приурочеш непосредственно к рифтовой долине хребта, а вторая направлена вкрест его простирания Выявленное смещение положения рифтовоii оси и центров наиболее интенсивных аномапт позволяет предположить наличие среднемасштабной нестабильности спрединга.

4. Проведенное трехмерное гравитационное моделирование показало, что остаточньи мантийные аномалии Буге не могут быть объяснены исключительно вариациями мощност> океанической коры. Наиболее вероятным дополнительным источником этих аномаш. являются подъем подошвы литосферы и плотностные неоднородности, обусловленаы наличием системы разломов, протпывающих ее на всю мощность.

Научная новизна:

1. Переобработаны и систематизированы материалы грави-батиметрических данных в районе Канаро-Багамского геотравергя Осуществлена их совместная .увязка с ¡учетом результатов зарубежных исследований и рассчитаны новые согласованные матрицы рельефа-дна и гравитационного поля в районе центральной части полосы КБГТ. . .

2. Предложены новые модели строения океанической коры для расчета .мантийных; аномалий Буге, повышающие информативность результатов трехмерного гравитационного моделирования. iii's; '■;,*.:.:■':.

3. Установлено, что трехмерная структура мантнйного апвеллинга проявляется в двух взаимно перпендикулярных системах плотностных неоднородностей, первая из которых приурочена непосрёдственно к рифтовой долине хребта, а вторая направлена; вкрест ее простирания. ■

1 Выявлены смещения положения рифтовой оси и центров наиболее интенсивных гравитационных аномалий, позволяющие предположить наличие среднемасштабной нестабильности спрединга на всем протяжении исследованного участка хребта. 5. На основе трехмерного гравитационного моделирования термического эффекта юдтверждено значение инверсии плотности на границе литосфера-астеносфера, равное ). 11 г/см3, рассчитанное А.М. Городницким (1985) на основе комплексного анализа данных I двухмерном варианте.

). Предложена новая трехмерная модель строения литосферы, учитывающая эволюцию ее тотностной структуры и существование системы разломов, разнонаправленно падающих таосительно дивергентной границы и пронизывающих литосферу на всю ее мощность.

Практическая ценность работы заключается в следующем: . Разработана технология создания грави-батиметрической базы данных, пригодная для рименения в любых районах Мирового океана и включающая в себя элементы редбанковской обработки, увязки и гридирования информации.

. Усовершенствована методика 3-D гравитационного моделирования для океанических бласгей с возрастом до первых десятков миллионов лет.

. Построены цифровые карты (матрицы) гравитационных аномалий в свободном воздухе, антийных аномалий Буге, остаточных мантийных аномалий Буге, мощности коры по зультаггам трехмерного гравитационного моделирования. Ряд картографических атериалов использован при реализации научно-исследовательских тем НИИОкеангеология. Предполагается их издание в компьютерном Атласе по КБГТ. Результаты данного исследования помогут при планировании дальнейших этапов олого-геофизических работ в океане при решении вопросов тектонического анализа и -шерагенического районирования океанической литосферы.

Апробация работы. Основные результаты и отдельные положения диссертации испадывались на различных отечественных и международных научных симпозиумах:

Международной конференции "Морская и аэрогравиметрия" (СПб, 1994), XXI Генеральной ассамблее IUGG (Боулдер, США, 1995), на совещании "Инициатива Ridge" (СПб, 1995), на XII Всероссийской школе по морской геологии (Москва, 1997), на I Международной школе морской геологии (Москва, 1997), на осеннем совещании гериканского геофизического союза (Сан-Франциско, 1997), на Международной нференции "Тектоника литосферных плит" памяти Л.П. Зоненшайна (Москва, 1998). бота в целом докладывалась на заседании кафедры геофизики СПбГУ и на заседании ()едры геофизических методов исследования земной коры МГУ.

Предложенная технология формирования грави-батиметрической базы данных гдрена в основу создаваемой в настоящее время во ВНИИОкеангеология базы »физических данных по Арктическому региону. Основные результаты исследовании точены в программу учебных курсов "Методы интерпретации аномалий магнитного и

/

гравитационного полей" и "Геология и геофизика Мирового океана" дл'/ студентов-геофизиков геологического факультета СПбГУ. У

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8/работах, две в настоящее время находятся в печати. /

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит/из введения, пяти глав и заключения. Содержит fOOстраниц текста, £3 рисунков, ¿у таблиц и список литературы из /0£ наименований. "7

Благодарности. Автор хранит светлую память о доценте/ кандидате физико-математических наук Всеволоде Константиновиче Орлове, которому посвящается начатая под его руководством данная работа. /

Автор выражает глубокую благодарность доктору геоло/о-минералогических наук С.П. Мащенкову и профессору, доктору геолого-минералогичеСких наук B.C. Миронову за научное руководство, постоянные помощь, поддержку и долготерпение.

Особую признательность за проявленное внимание и гдмощь автор приносит: члену-корреспонденту РАН, профессору, доктору геолого-минералогических наук Ю.Е. Погребицкому, обсуждение с которым ключевых вопросов диссертации существенно помогло в написании работы, а также старшему геофизику МАГЭ Ю.Д. Малютину, за бескорыстную помощь при проведении увязки данных и предоставленное программное обеспечение. Автор глубоко благодарен ведущим 'специалистам ВНИИОкеангеология кандидату геолого-минералогических наук В.Ю./ Глебовскому и доктору геолого-минералогических наук Г.П. Аветисову за помощь, оказанную при редактировании текста работы и программисту М.С. Корневой за реализацию идей автора в виде конкретных программных продуктов.

Автор благодарит за консультации, ценчые замечания и конструктивную критику докторов наук C.B. Аплонова и Е.П. Дубинина. За каждодневную помощь в ходе исследования диссертант благодарит своих коллег М.В. Аверину, С.А. Андрианова, Е.Г. Астафурову, JI.B. Аплонову, Е.В. Бочарову, Е.Д. Даниэль, Д.В. Пистуна, C.B. Степанова, О.Ю. Соловьеву и И.С. Чекалову.

Исключительно плодотворными для автора оказались контакты с коллегами из Геологической Службы Канады Дж. Верхоевом и К. Усовым. Созданное ими программное обеспечение позволило довести уровень обработки, представления и картографирования данных до стандартов, принятых в Мировом геосообществе.

Работа выполнялась при финансовой поддержке Международного Научного Фонда (ISF grant SX000) и Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант 97-0564407).

*

Глава 1. Характеристика предметной области гравиметрической базы данных "Канаро-Багамскин геотраверс"

В первой главе диссертации приводится обзор и анализ различных по методике наблюдений, масштабу и целям исследований гравиметрических данных, полученных для акватории Мирового океана, и рассматриваются характеристики данных, попадающих в район исследования - центральную часть полосы Канаро-Багамского геотраверса. Она расположена между Африканским и Американским побережьями Атлантики (23°-29° с.ш. и 40°-50° з.д.) и является одним из наиболее изученных геофизическими методами районов Мирового океана. Проведенный предварительный анализ данных позволил отобрать отечественные и зарубежные материалы, сопоставимые по качеству измерений и точности позиционирования. Единственно возможным вариантом манипулирования большим количеством информации является организация базы данных (БД). Необходимость создания такой БД для района КБГТ вызвана двумя основными причинами:

1) разнородностью гравиметрических данных, накопленных в районе исследований и полученных в результате решения различных геолого-геофизических задач (глобального, регионального и детального плана), что, в конечном итоге, привело к заметной неравномерности покрытия сетью наблюдений;

2) переходом от качественной интерпретации к количественной с применением технологии трехмерного моделирования, что предъявляет особо жесткие требования к предварительному согласованию гравиметрических измерений с другими типами геофизической информации.

В основу созданной БД лег модульный технологический принцип, который позволяет наиболее полно использовать средства вычислительной техники, а также быстро дорабатывать или создавать по мере надобности отдельные блоки, не изменяя принципиальной схемы обработки данных. Разработанная технология включает несколько элементов:

I. Создание унифицированного архива данных. Необходимость унификации данных вызвана использованием широкого спектра информации, полученной различными отечественными и зарубежными организациями, что предопределяет различия в структуре архивов данных в зависимости от конкретных методик обработки и требует решения задачи ;огласования информации для различных методов (гидрографический промер и гравиметрические наблюдения).

П. Редактирование данных. Перевод аналоговых данных в компьютерную форму посредством оцифровки на дигитайзере или вводом с клавиатуры невозможен без ошибок. Эти ошибки могут вызывать значительные искажения в матрицах поля силы тяжести или эельефа дна на этапе гридирования. Поэтому нами был создан программный модуль, ориентированный на поиск грубых ошибок в координатах, времени и в предметной «(формации (гравитационное поле, поправки Этвеша и глубины дна). Алгоритм основан на шчислении средних величин перечисленных параметров, с использованием ближайших по угношению к анализируемой точек и сравнение результатов расчетов со ;реднестатистическими параметрами по всему профилю в целом.

Ш. Увязка данных. Гравиметрическая информация, содержащаяся в базе данных, 1редставлена разномасштабными съемками и единичными профилями, полученными за юследние 15 лет. В качестве опорной информации для последующей увязки использовались :обственные геотраверсные систематические съемки, выполненные различными юдразделениями ПГО "Севморгеология". Стандартным параметром, контролирующим гачество гравиметрических измерений, является среднеквадратическая погрешность (СКП) в очках пересечения профилей. Анализ невязок в точках пересечения профилей внутри >дного звена, рейса, частично перекрывающихся между собой площадных съемок и

единичных профилей позволил выделим, систематические ошибки и разделить их на составляющие, связанные с рядом обстоятельств:

1) неправильным подбором коэффициентов прямой при учете сползания "нуль-пункта" в пределах одного звена рейса;

2) неправильным подбором коэффициентов прямой при учете сползания "нуль-пункта" для единичного профиля;

3) нелинейностью сползания "нуль-пункта" в пределах единичных профилей или группы профилей, последовательно отработанных во времени;

4) различием в уровнях съемок.

На первоначальном этапе устранялись ошибки, связанные с неправильным подбором коэффициентов прямой при учете сползания "нуль-пункта" в пределах единичного звена одного из рейсов. Для этого в каждом звене всех рейсов площадных съемок проводилась линейная интерполяция значений невязок, последовательно расположенных в зависимости от времени выхода из порта, с вычислением коэффициентов прямой и внесением соответствующих исправлений в данные.

После этого для выявления и устранения закономерных линейных систематических ошибок единичных профилей или групп профилей, последовательно отработанных во времени в пределах одного из звеньев рейса, осуществлялся анализ значений невязок на графике гравитационного поля в редукции в свободном воздухе по профилям с вынесенными на них значениями поля и значениями невязок по секущим профилям. При обнаружении линейной составляющей интерполяция значений невязок во времени осуществлялась в пределах отдельных групп профилей, либо в пределах единичного профиля. Данная корректура последовательно проводилась первоначально для каждого из профилей площадных съемок, а затем и для отдельных маршрутов сети насыщения.

После устранения общего линейного тренда для всех съемок анализировались профили, имеющие нелинейную составляющую, при условии наличия большого количества точек пересечений, позволяющих провести статистический анализ. Аппроксимация нелинейной составляющей осуществлялась подбором полинома соответствующего порядка.

Подсчет СКП для профилей частично перекрывающихся площадных съемок позволил установить и устранить различия в уровнях съемок. В результате проделанной обработки удалось снизить как общую СКП с +/-8.5 до +/-1.2 мГал, так и ограничить область разброса невязок в области 2а от -2.5 до +2.2 мГал.

IV. Гридирование. Корректность процедуры гридирования в первую очередь определяется плотностью сети съемочных галсов и их направлением по отношению к простиранию основных структур. Применение любого алгоритма гридирования предусматривает осреднение исходной информации, интенсивность которого напрямую связана с размером ячеек грида. Для целей трехмерного гравитационного моделирования необходима хорошая сопоставимость латеральных и вертикальных форм изменения рельефа дна и характера гравитационного поля, происходящих за шаг гридирования, с самой величиной данного шага.

Серия экспериментбв по подбору оптимального размера ячеек грида (минимальное значение было задано равным 5 км и в дальнейшем наращивалось до 15 с равным шагом 1 км), показала, что минимальный шаг гридирования в условиях сложного характера рельефа дна, а также структуры и интенсивности гравитационного поля центральной части полосы КБГТ составляет 7 км. Подбор оптимального шага гридирования базировался на следующих процедурах:

1. сопоставлении наиболее градиентных участков наблюденных кривых поля силы тяжести и глубин дна со значениями, извлеченными из рассчитанных гридов;

2. сопоставлении областей изолинейных карт с наиболее градиентными значениями поля силы тяжести и глубин дна, построенными вручную и на основе рассчитанных гридов.

Результаты сопоставлений показали, что неравномерность сети профилей (межгалсовые расстояния колеблются от 10 до 40 км), а также не ортогональное их простирание по отношению к Срединно-Атлантическому хребту (САХ) не позволяют создать единый равноточный грид с размером ячейки 7x7 км на всю область исследования. При формальном применении алтригма гриднрования с таким шагом возникают значительные расхождения между наблюденными значениями аномалий Ag и глубин дна и выбранными из грида вдоль одних и тех же профилей, а также между изолинейными картами, построенными на компьютере и вручную. В наименее изученных областях акватории (северо-западный фланг САХ центральной части полосы КБГТ) вследствие недостатка данных возникают даже ложные аномалии. Выход из этого положения был найден благодаря разбиению площади исследований на три участка в зависимости от степени изученности и результатов подбора оптимальных технологий расчета матриц значений гравитационного поля и рельефа дна. Вначале для каждого из участков эмпирически подбирался оптимальный шаг гридирования (соответственно 7, 9 и 12 км для разных участков), не вызывающий появление ложных аномалий. Подбор шага основывался на сопоставлении наблюденных и гридированнных значений аномалий в свободном воздухе. Были получены сглаженные модели первого приближения рельефа поверхности дна и гравитационного поля. Затем была проведена линейная интерполяция матриц с размерами шага 9 и 12 км в матрицы с шагом 7 км и их объединение в единый грид на всю область центральной части КБГТ. К числу несомненных достоинств полученной единой матрицы относится ее равноточносгь, а к числу недостатков - слишком большая сглаженность. Для преодоления этого недостатка полученным грид был переинтерполирован по нелинейному закону в сеть с размером ячейки 2.5x2.5 км. В первом приближении это позволило приблизить значения в точках перегибов к реально наблюденным. Необходимость пересчета в столь детальную равномерную сеть, неподтвержденную реальной изученностью, обусловлена расчетами прямой задачи в трехмерном виде, для которой шаг ячейки грида должен быть приблизительно сопоставимым с периодами смены характера рельефа. В дальнейшем осуществлялось совместное гридирование с равномерным шагом в 2.5 км полученных ранее матричных значений и реально наблюденных профильных данных. В окончательных гридах удалось избежать ложных аномалий и добиться крайне незначительного расхождения с наблюденными значениями.

Для контроля качества полученных матриц были разработаны еще две методики объединения разномасштабных данных в единую матричную сеть, требующих значительно больших временных затрат. Применительно к данным по КБГТ все три методики, опробованные на контрольных, наиболее градиентных участках, показали незначительные расхождения в матрицах рельефа дна и поля силы тяжести, не превышающие погрешность измерений и соответствующие масштабу исследования. Это объясняется тем обстоятельством, что насыщенность съемочной сети, для большей части акватории исследуемого района является минимально возможной при картировании в масштабе 1:2 ООО ООО резко градиентных по своим геофизическим характеристикам районов СОХ и их флангов.

V. Увязка гриднрованных данных Исследуемый регион охватывает значительную площадь (1000x800 км) и включает в себя основные морфоструктурные зоны океана: САХ, фланги хребта и области глубоководных котловин. Каждая из зон характеризуются особыми формами рельефа дна и структуры гравитационного поля. Поэтому при проведении гравитационного моделирования необходимо учитывать поправку за дальнюю зону. Для корректного вычисления топопоправки в дальней зоне рассчитанная матрица значений рельефа дна дополнялась по краям данными из опубликованного грида ЕТОРО-5 (1985) на величину в 600 км. Были выявлены пограничные области максимального несоответствия цвух гридов. Для этих областей были построены серии синтетических профилен.

направленных вкрест простирантия реальной сети наблюдений, путем извлечения значений глубин дна из грида ЕТОРО-5. В дальнейшем такие профили были увязаны с собственными геотраверсными данными.

Глава 2. Методика трехмерного гравитационного моделирования

Одной из основных методик интерпретации аномалий поля силы тяжести в океане, активно используемых в последнее десятилетие, является трехмерное гравитационное моделирование. Интенсивное развитие данной технологии вызвано значительным прогрессом в комплексном изучении поля силы тяжести и батиметрии срединно-океанических хребтов.

Как известно, океаническая кора состоит из нескольких контрастных гравитирующих границ, влияние которых необходимо учитывать при проведении моделирования. Для учета этого влияния в районах СОХ Куо и Форсайтом (1988) была предложена технология трехмерного гравитационного моделирования. Она заключается в вычитании из аномалий в свободном воздухе гравитационных эффектов от упрощенной модели, заданной поверхностью дна и предположительно конформной ей границей Мохоровичича при постоянных плотностях воды, коры и верхней мантии (рис. 1а). Возможность использования такой упрощенной модели строения океанической коры базируется на ряде допущений:

1. В связи с тем, что в районах СОХ осадочный чехол развит спорадически, его влияние не учитывается.

2. Принимается однослойная модель океанической коры, обладающей суммарной мощностью 5-6 км и интегральной плотностью 2.8 г/см'1. Сравнение результатов трехмерного гравитационного моделирования при двухслойной модели строения океанической коры (слоя 2 мощностью 1.5 км с плотностью 2.7 г/см3 и слоя 3 мощностью 4.5 км с плотностью 2.9 г/см3) с результатами расчетов от однослойной модели (суммарная мощность коры принималась равной 6 км с плотностью 2.8 г/см3) показало крайне незначительное расхождение аномальных гравитационных эффектов. Полученная разница в 1 мгал полностью укладывается в средне-квадратическую погрешность современных гравиметрических съемок в океане.

3. Весьма разрознен-

-15

Рнс.1. Три модели . строения океанической коры, использованные при вычислении мантийных аномалий Буге. Плотности ДЛЯ ВОДЫ, коры II верхней мантии выбирались равными 1.03 г/см3, 2.8 г/см и 3.3 г/см3.

а) - "классическая" модель Куо и Форсайта (1988), в которой ные петрофизические 1дан- положение границы Мохоровичича конформно поверхности дна при

постоянной мощности коры, равной 6 км.; о) - граница Мохоровичича соответствует сглаженной поверхности при средней мощности коры равной 6 км.; в)- граница Мохоровичича является зеркальным отображением поверхности дна (модель изостазии Эйрн) при средней мощности коры равной 6 км.

ные, полученные по результатам глубоководного бурения, вскрывшим только верхнюю часть разреза (слои 1 и 2), и драгирования, не позволяют в настоящий момент провести моделирование, учитывающее незначительное латеральное изменение плотности коры с удалением от оси хребта. Поэтому плотности внутри слоев обычно принимаются постоянными.

Несмотря на внушительное количество работ, посвященных вопросу проведения З-Э моделирования, ни в одной из них не проводилось сравнительного анализа остаточных

аномалий поля силы тяжести при учете эффекта от границы Мохоровичича различной конфигурации. Такая задача становится актуальной, учитывая, что предложенная Куо и Форсайтом (1988) модель строения океанической литосферы для проведения 3-0 гравитационного моделирования разрабатывалась для областей, незначительно удапейных от оси рифтовой долины. Эта же модель попользована в появившихся за последние годы зарубежных работах (Яоттеуаих е! а1., 1994; Г'ап50 е1 а]., 1995), проведенных в районе, охватывающем фланги хребта вплоть до границ перехода в области глубоководных котловин. Тем не менее, анализ правомерности переноса "классической" технологии Куо и Форсайта на значительную площадь вне оси центра спрединга не проводился.

Расчеты МАБ от новых моделей с различной конфигурацией поверхности Мохо осуществлены в рамках исследований по программе КБГТ (гауопсЬек, МазсЬепкоу, 1995; 7ауопсЬек е! а1., 1996). Как и в предыдущих работах были приняты однослойные модели строения океанической коры. Анализ сейсмических данных на геотраверсе показал, что средняя мощность коры в районе исследований составляет б км, поэтому эта величина и была использована при задании осредненной геометрии поверхности Мохо. Плотностные параметры при расчетах гравитационных эффектов принимались одинаковыми, исходя из разреза стандартной океанической колонки. Соответственно использовались плотности, равные 1.03 г/см3 для воды, 2.8 г/см3 для коры и 3.3 г/см~' для верхней мантии.

При расчетах аномальных гравитационных эффектов от однослойных моделей наибольшую ошибку в результаты моделирования вносит пренебрежение спорадически развитым в районе исследований осадочным чехлом. Осадки расположенные наиболее близко к поверхности наблюдений, характеризуются максимальным плотностным контрастом по отношению к консолидированной коре. В работе Роммево и др. (1994), посвященной изучению участка САХ между 28-29° градусами северной широты в районе перехода западного фланга хребта в область глубоководной котловины, было выполнено двумерное гравитационное моделирование. Цель моделирования заключалась в установлении погрешности, возникающей в результате пренебрежения гравитационным влиянием локальных осадочных "карманов" в пониженных участках рельефа фундамента. Было показано, что пренебрежение гравитационным эффектом от реально наблюденной осадочной линзы мощностью 400 м приводит к ошибке в 4.5 мГал при редуцировании к мантийным аномалиям Буге.

В полосе КБГТ сеть сейсмических профилей недостаточна для построения карты мощности осадочного чехла, соответствующей степени изученности грави-батиметрической информации. Протяженность осадочных "карманов", закартированных для центральной части региона отечественными и зарубежными (Лотеуаих й а1„ 1994) сейсмическими исследованиями, не превышает 10-15 км при максимальной мощности, равной 400 м. Поэтому при выбранном шаге гридировання батиметрической информации в 7 км, влияние локальных "линз" осадков все равно осредняется и существенно не влияет на модельные расчеты.

Геометрия первой модели (рис. 1а) соответствует "классической" схеме Куо и Форсайта. Отличительной особенностью этой модели, является постоянная мощность океанической коры, равная 6 км. Граница Мохоровичича в виде матрицы получена путем прибавления постоянной величины к значениям грида глубин дна.

Во второй модели (рис.1б) граница Мохоровичича определялась путем прибавления той же постоянной к гриду, соответствующему сглаженной поверхности рельефа дна Сглаживание производилось по методу осреднения в "скользящем окне" с шагом, равным 90 км. Геоморфологический анализ показал, что именно такой шаг хорошо соотносится с периодом изменения характера рельефа дня для данного региона как при удалении от оси раскрытия, так и вдоль нее.

Третья модель, представленная на рис. 1в, основывается на предположении о наличии изостатической компенсации на границе Мохоровичича, протекающей по схеме Эйри. Применение в данной работе модели Эйри вызвано с одной стороны среднемасштабным характером исследования участка САХ и его флангов, для которого данная модель является предпочтительной (Беляев, Ржевский, 1995), а с другой стороны, простотой численного задания геометрии компенсационной границы Мохо первого приближения. Была найдена разница между положениями границ Мохоровичича в первой и второй моделях, которая затем была прибавлена с обратным знаком к сглаженной поверхности границы Мохо второй модели (рис. 1в). Именно такая модель является наиболее близкой к ранее полученным определениям поверхности Мохоровичича, основывающимися на результатах трехмерного гравитационного моделирования

В данной работе расчеты прямых гравитационных эффектов для всех описанных выше моделей осуществлялись послойно: для воды, коры и мантии. Глубина нижней границы компенсации для мантии задавалась равной 100 км. При решении задачи определения аномального гравитационного эффекта от искомой модели глубина нижней границы компенсации может быть задана произвольно. Единственным условием является ее более глубокое залегание, чем положение границы Мохоровичича в моделях, принятых для расчетов. Результаты послойных вычислений соответственно суммировались для каждой из принятых моделей. Учитывая ранее полученный положительный опыт проведения 3-D гравитационного моделирования (Мащенков, 1994; Zayonchek, Maschenkov, 1995), стандартный разрез океанической колонки задавался с учетом специфики данного района путем анализа исходной информации. Для этого по гистограммам грида глубин и матрицы, представляющей положение границы Мохоровичича по сейсмическим данным, были выбраны средние значения (максимумы на гистограммах), которые и использовались при расчетах гравитационного эффекта океанической колонки данного района (плотностные параметры задавались аналогично модельным). Полученные величины вычитались из вычисленных значений прямых гравитационных эффектов моделей, что позволило получить аномальное гравитационное поле для каждой из них. В дальнейшем рассчитанные поля вычитались из аномалий в свободном воздухе.

Глава 3. Интерпретация мантнйных аномалий Буге

Основной особенностью мантийных аномалий Буге, рассчитанных по стандартной модели Куо и Форсайта, является наличие резко отрицательных изометричных аномалий "бычьего глаза" (Kuo and Forsyth, 1988), положение которых вдоль рифтовой оси хорошо согласуется с геоморфологической сегментацией САХ между разломами Кейн и Атлантис. Как правило, центры изометричных аномалий приурочены к серединам сегментов, откартированных по данным SeaBeam (Sempere et al., 1990), a повышенные значения Ag мае примерно соответствуют положению нетрансформных нарушений. Ж.Лином и Дж.Фиппсом Морганом было дано объяснение появления интенсивных мантийных'аномалий Буге как результата эффекта колебаний мощности коры или неоднородностей плотности мантии за счет термического расширения и отделения фракции расплава (Lin, Phipps Morgan, 1992). Согласно этой модели существует зависимость между центрами ЗО-мантийного апвеллинга, закартированными по характеру МАБ и процессом интенсивного наращивания коры вблизи центров сегментов. Это предположение обосновывается наличием обратной связи между плавлением в мантии и структурой апвеллинга, которая приводит к установлению стабильных мантийных плюмов, функционирующих под действием сил плавучести (Lin et al., 1990). Из концепции Ж.Лина и других следует, что наличие латеральных ограничений аномалий "бычий глаз" связано с вкладом неоднородностей, первично обусловленных мантийным апвеллингом.

Рис. 2. Мантийные аномалии Буге, вычисленные при условии компенсации на границе Мохоровичича в рамках модели Эйри. 1 - положение оси линейной магнитной аномалии и ее номер, 2 - положение трансформного разлома Кейн, 3 - положение основных разломов, 4 - положение оси рифтовой долины по геоморфологическим признакам и по положению оси отрицательных вдольосевых МАБ, 5 - номера основных разломов.

50 0

-50 -100 -150 ООО

Резко отрицательные мантийные аномалии Буге, вычисленные с учетом модели со сглаженной поверхностью Мохоровичича, теряют свою изометричную форму и выстраиваются в единую цепочку, тяготеющую к рифтовой долине. Структура вытянутых в направлении движения плит аппендиксов становится более ярко выраженной по сравнению с МАБ, рассчитанными по первой модели.

На рис.2, представлены МАБ, вычисленные по третьей модели строения коры, предполагающей наличие компенсации на границе Мохо, протекающей в рамках модели Эйри. В этом случае резко отрицательные аномалии приобретают отчетливую вытянутость вдоль оси хребта, разделяясь серией перемычек в местах примыкания разломов. Все интенсивные отрицательные аномалии над осью САХ имеют вытянутые в направлении движения плит аппендиксы, которые на восточном фланге хребта уверенно прослеживаются по крайней мере до участков литосферы с возрастом примерно 30-32 млн. лет. На западном фланге хребта отчетливо проследить эти аппендиксы удается лишь до участков литосферы возрастом 25 млн. лет, после чего большая часть из них теряется. Это может быть связано с неравномерностью скорости спрединга. Возможно, сказывается и эффект недостаточности съёмочной сети на западном фланге, где практически полностью отсутствуют секущие профили, что приводит, в конечном итоге, к определенной "затушеванности" структурных направлений перпендикулярных оси раскрытия хребта на картах гравитационных аномалий.

Картирование системы перпендикулярных друг другу отрицательных аномалий представляет дополнительный критерий для изучения сегментации СОХ. Наличие такой системы аномалий свидетельствует о глубинных процессах, происходящих в литосфере и астеносфере и лишь частично отраженных в геоморфологических особенностях, по

которым, как правило, определяются граннцы сегментов. Как интенсивность, так и размеры отрицательных вдольосевых аномалий постепенно увеличиваются по мере удаления от трансформного разлома Кейн в северном направлении. Такой характер распределения вдольосевых аномалий, который напрямую связан с характером и интенсивностью мантийного апвелинга, позволяет разделить исследуемый участок САХ на два сегмента второго порядка (по классификации Sempere et al, 1993). Первый из сегментов, прослеживающийся от трансформного разлома Кейн до нарушения 26° 10', характеризуется менее интенсивными отрицательными аномалиями, в основном, латерально ограниченными рифтовой долиной САХ или незначительно удаляющимися за ее пределы. Проявляется устойчивый характер аппендиксов, вытянутых в направлении движения плит, причем в пределах данного сегмента они могут пересекать, располагаться между или соприкасаться с сетью хорошо выраженных в рельефе дна разломов. Такое распределение аномалий, характеризует современное состояние данного отрезка хребта и указывает на преобладание тектонического сценария развития данного сегмента над магматическим. Это проявляется в геоморфологических и магнитных характеристиках, картирующих ключевую структуру данного сегмента - V-образное нарушение рифтовой долины севернее трансформного нарушения Кейн. Мантийные аномалии Буге свидетельствуют, что по всей видимости, существенной тектонической перестройке подвергся не только участок V-образной рифтовой долины, а весь блок литосферы южного сегмента 2-ого порядка, начиная от разлома Кейн и заканчивая нарушением 26° 10'. Отрицательная вдольосевая аномалия в пределах данного сегмента делится на ряд более мелких аномалий, концы которых примерно приурочены к сети разломов, но не совпадают с ними полностью. Сопоставление аномалий с геоморфологическими признаками показывает, что система таких локальных отрицательных аномалий картирует сегментацию третьего порядка.

Основной результат данной части работы заключается в выявлении противоречия между мантийными аномалиями Буге, рассчитанными по "классической" модели строения океанической коры, и по модели, основывающейся на предположении о наличии компенсации на границе Мохо, протекающей в рамках механизма Эйри. Как уже указывалось выше, сами результаты трехмерного гравитационного моделирования, полученные зарубежными авторами, противоречат используемой ими же модели строения океанической коры первого приближения (Kuo and Forsyth, 1988). Выполненное в настоящей работе гравитационное моделирование показало отсутствие аномалий "бычьего глаза". Вероятно, появление данных аномалий обусловлено в значительной мере применением "классической" технологии вычислений с учетом гравитационного эффекта от коры с постоянной мощностью, неадекватной существующим знаниям о строении океанической коры. Следовательно и геодинамическая модель пассивного трехмерного апвеллинга (Lin et al., 1990), опирающаяся на результаты интерпретации аномалий "бычьего глаза", является неточной.

Взаимосвязь между геоморфологическим выражением сегментов и плотностной структурой литосферы представляется более сложной, чем предполагалось в предшествующих работах (Lin et al., 1990; Lin, Phipps Morgan, 1992). Вьивленная система двух взаимно перпендикулярных отрицательных гравитационных аномалий, рассчитанных исходя из предположения о компенсации на границе Мохо в рамках модели Эйри, свидетельствует о наличии по крайней мере двух независимых геодинамических процессов. Цепочка локальных отрицательных вдольосевых аномалий, отражающая по геоморфологическим признакам среднемасштабный характер сегментации, свидетельствует в пользу модели "подосевого астеносферного потока, действующего автономно в пределах отдельных сегментов САХ" (Аплонов, Трунин, 1995). Данными авторами этот вывод был получен на основе анализа детальной магнито-батиметрической информации по полигону TAG, расположенному между разломами Кейн и Атлантис, а также вдоль участка рифтовой

долины САХ между разломами Кейн и Марафон (12°-24° с.ш.) (Аплонов и др., 1992; Аплонов, Грунин, 1995). Обнаруженная в ходе этих исследований локальная нестабильность спрединга объяснялась как результат действия астеносферного подосевого потока. Подтверждением этой интерпретации является выявленное по материалам КБГТ несовпадение рифтовой оси САХ. закартированной по батиметрическим данным, с положением вдоль осевых минимумов MAB, которые несут в себе информацию о наиболее интенсивных областях мантийного апвеллинга. Сопоставление положения вдольосевых минимумов МАЕ с картой аномального магнитного поля приведенного к полюсу показало их хорошую корреляцию с особенностями осевой магнитной аномалии, картирующими проявления интенсивного магматизма (Гуревич, Мащенков, 1998). Несоответствие гравитационных и магнитных аномалий в районе 26° с.ш., по-видимому обусловлено аномальным строением данного сегмента САХ, где зафиксированы частые перескоки оси спрединга (Аплонов и др., 1992), достоверно выявить которые не представляется возможным при региональном характере полученных на геотраверсе данных. Выявленное несоответствие различных геофизических характеристик с геоморфологическим выражением сегментов позволяет предположить существование нестабильности спрединга на всем протяжении исследуемого участка САХ, вызванном действием подосевого астеносферного потока.

Вероятным объяснением выявленных аппендиксов отрицательных МАЕ, направленных в стороны движения плит, может служить модель сосредоточения рассеянного в мантии расплава в "точечных" магматических очагах (Лобковский, 1988). В рамках данной модели предполагается существование магматических очагов, сконцентрированных на подошве литосферы и "стекающих" к магмавыводящей зоне спрединга. По мере удаления от оси раскрытия "отпечатки" такого процесса в аномалиях поля силы тяжести должны затушевываться за счет наращивания мощности литосферы и, следовательно, увеличения глубины источников, продуцирующих гравитационные аномалии, что и наблюдается на карте мантийных аномалий Буге (рис. 2).

Глава 4. Моделирование эффекта термического разуплотнения за счет подъема кровли астеносферы

Известно, что граница литосфера-астеносфера обладает гравитирующим эффектом, связанным с изменением плотности мантийного вещества при его переходе из расплава в кристаллическое состояние.

В настоящее время в большинстве работ, посвященных 3-D гравитационному моделированию в океане, для учета эффекта термического разуплотнения, связанного с подъемом кровли астеносферы, используется тепловая модель Форсайта и Вилсона (Forsyth and Wilson, 1984). Ее повсеместное применение обусловлено возможностью на основе разработанного математического аппарата рассчитать в трехмерном виде положение изотерм в литосфере для системы хребет-трансформ-хребет. Указанная модель основана на ряде допущений, два из которых делают ее непригодной для использования в настоящей работе:

1. скорость спрединга задается постоянной величиной, что приводит к значительным искажениям при моделировании эффекта термического разуплотнения, связанного с подъемом кровли астеносферы, для значительных по площади акваторий, поскольку скорость перемещения двух плит относительно дивергентной границы существенно неравномерна (Мащенков, 1994);

2. смещения оси СОХ вдоль трансформных разломов предполагаются малыми, что не соответствует региональной тектонической обстановке между разломами Кейн и Атлантис

Другим методом учета гравитирующего эффекта границы литосфера-астеносфера помимо описанного выше, является использование установленной эмпирически и обоснованной теоретически зависимости мощности океанской литосферы от ее возраста (Сорохтин, 1973; Parker, Oldenburg, 1973). В модели О.Г. Сорохтина (1973) глубина подошвы литосферы определяется, как положение изотермы кристаллизации мантийного вещества, приблизительно равной температуре солидуса базальтовых расплавов. Это позволяет найти связь между мощностью образующейся литосферы и временем ее остывания через решение общего уравнения теплопроводности. К числу очевидных недостатков модели Сорохтина-Паркера-Олденбурга относится ее двумерность. В рамках настоящей работы этот недостаток не является критичным, т.к. изучение области, непосредственно примыкающей к трансформному разлому Кейн, не входило в круг основных задач исследования.

В более поздних работах, посвященных изучению связи мощности литосферы с ее возрастом (Лукашевич, 1982; Лукашевич, Приставакина, 1984), была использована кристаллизационная модель, в которой теплофизические свойства твердого и частично расплавленного вещества различны и меняются по латерали. В рамках этой модели были получены следующие зависимости мощности литосферы от возраста: 11=7.5 при t=0-20 млн. лет, (1) Н=8.8л/'-5 при t=20-60 млн. лет, (2) и Н=7.6лД + 14 при t>60 млн. лет. (3). Эти зависимости были использованы при расчетах теоретической мощности литосферы исследуемого района в рамках данной работы. Применение кристаллизационной модели Лукашевич и др. (1989), дает возможность опереться на реальные систематические данные о возрасте океанического дна в районе исследований, полученные по результатам идентификации осей линейных магнитных аномалий (Мащенков, 1994). Ее принципиальное отличие от тепловой модели Форсайта и Вилсона (1984) заключается в возможности учета различий в скорости спрединга для восточного и западного флангов САХ.

Для вычисления теоретического гравитационного эффекта термического разуплотнения с использованием зависимости мощности литосферы от ее возраста был рассчитан грид возраста океанической коры исследуемого района. Исходным материалом для расчетов послужила карта осей линейных магнитных аномалий в полосе КБГТ (Глебовский, Мащенков, 1993) и на участки, где отсутствует собственные геотраверсные данные - карта осей линейных магнитных аномалий центральной части Северной Атлантики (Roest, 1987). Оси линейных магнитных аномалий были оцифрованы на дигитайзере, после чего осуществлен их пересчет в изохроны возраста в соответствии с палеомагнитной шкалой Харленда и др. (1985). Шаг и размер грида были выбраны идентичными матрицам глубин дна и гравитационных аномалий в свободном воздухе, что позволило учесть поправки за дальнюю зону.

Для вычисления теоретической мощности литосферы возрастной грид бьш разбит на два участка с возрастом коры менее и более 20 млн. лет. В зависимости от возраста участков была рассчитана теоретическая мощность литосферы с применением формул (1) или (2).

Затем вычислялся гравитационный эффект, связанный с плотностной инверсией, возникающей на границё литосфера-астеносфера. Единого мнения о величине избыточной плотности на границе литосфера-астеносфера не существует. По данным Кохрана и Тальвани (1978) она составляет 0.085 г/см'; по Иоши (1975) - 0.10 г/см3; по Городницкому (1985) - 0.11 г/см3. Для оценки искомой величины выполнена серия расчетов прямой гравиметрической задачи в трехмерной постановке с перебором избыточной плотности от 0.08 до 0.12 г/см3 с шагом 0.01 г/см3. При задании геометрии модели использовался рассчитанный грид мощности литосферы и был принят уровень компенсации 100 км, что соответствует расчетам МАЕ. В дальнейшем осуществлялся совместный анализ полученных значений гравитационных эффектов при различных избыточных плотностях на границе литосфера-астеносфера с ранее рассчитанными МАБ. Сравнение проводилось для гридов и в

профильном варианте. Были построены четыре синтетических профиля, проходящих вкрест простирания СОХ, по которым извлекались значения из гридов МАБ и гравитационного эффекта, обусловленного подъемом кровли астеносферы. Проведенное сравнение показало, что формы кривых Ag,bI, рассчитанных с учетом избыточной плотности 0.11 г/см', наилучшим образом совпадают с МАБ, при этом разница гридов AgMAi; и Ag„ минимальна.

Недостаточный латеральный размер исследуемой области не позволил провести анализ, базирующийся на вариации плотности астеносферного вещества при удалении от оси раскрытия (Parson and Scarlet, 1977; Cochran and Talwani, 1979; Гайнанов, 1980, Городницкий, 1985).

Глава 5. Строение литосферы по результатам трехмерного гравитационного моделирования

Остаточные мантийные аномалии Буге (ОМАБ) получены путем вычитания из мантийных аномалий Буге эффекта термического разуплотнения, вызванного подъемом кровли астеносферы. Современный подход к количественной интерпретации ОМАБ состоит в трансформации поля в нижнее полупространство с последующим пересчетом в значения мощности земной коры (Lin et al., 1990). Как и любая обратная геофизическая задача, данная процедура не является корректной. Она требует определенной осторожности при задании начальных условий, тем более, что трехмерные вычисления производятся в пакетном режиме и, в отличие от двумерных, не контролируются интерпретатором.

Если задание плотностного контраста в 0.5 г/см3 на границе кора-мантия основывается на современных статистических оценках плотности коры и верхней мантии, то общепринятый способ определения границы пересчета поля в нижнее полупространство является довольно противоречивым. Он сводится к определению средней величины глубины дна (по максимуму на гистограмме батиметрического грида), к которой прибавляется среднее значение мощности океанической коры (по современным сейсмическим оценкам составляет примерно равной 6 км). Некорректность данного способа определения поверхности для пересчета поля вниз состоит в том, что при вычислении ОМАБ используется модель строения океанской литосферы, в которой плотностной контраст 0.5 г/см3 приурочен к границе Мохоровичича. Геометрия этой поверхности задается путем прибавления к значениям глубин дна постоянной величины в 6 км (См. Гл.2). Таким образом при редуцировании принимается, что поверхность Мохо является конформной к поверхности рельефа дна и, следовательно, довольно изменчивой. Поэтому при решении обратной задачи конвертирования трансформированных ОМАБ (путем пересчета поля вниз) в вариации мощности земной коры присутствуют "фиктивные" аномальные массы, возникающие за счет разницы между поверхностью Мохо используемой при расчетах МАБ и постоянной границей пересчета поля в нижнее полупространство. Эти массы, лежащие выше уровня пересчета имеют избыточную плотность в (0.5 г/см''), а лежащие ниже -недостаток плотности (0.5 г/см3). Для преодоления данного несоответствия М.С. Корневой было модернизировано используемое в рамках настоящей работы программное обеспечение пересчета поля в нижнее полупространство (J Verhoef, К. Usov, 1995). В результате в качестве границы пересчета поля вниз стало возможным использовать не только плоскости, но и криволинейные поверхности, задаваемые в матричной форме.

В общепринятом алгоритме решения обратной гравиметрической задачи в трехмерной постановке (Parker, 1974) для преодоления искажающего влияния коротковолновой составляющей поля, проявляющейся в виде "шума" после продолжения поля в нижнее полупространство, предусматривается использование высокочастотной фильтрации к ареалу точек в пределах окружности заданного радиуса, а не к единичному значению поля в узле грида (Roest, 1987). Поэтому процесс фильтрации, осуществляемый после пересчета поля на

весьма расчлененную поверхность границы Мохо, не является корректным, т.к. процедура выполняется в определенном радиусе, где поле в отдельных точках грида пересчитано на разные уровни. Именно поэтому в геометрии одной из моделей, используемых при расчетах МАЕ (см. Гл.2), в качестве границы Мохоровичича использовалась сглаженная поверхность, на которую и пересчитывалось поле. Такая модель позволяет пренебречь возникающей ошибкой фильтрации, т.к. за один шаг выполнения расчетов изменение высоты между крайними точками сглаженной поверхности, находящимися в радиусе фильтрации, не превышает 100 м (это примерно соответствует СКП батиметрических съемок), что значительно меньше значения самого радиуса 10 ячеек грида или 25 км.

Латеральные ограничения осевых рассчитанных отрицательных ОМАБ варьируют в пределах 50-80 км для разных сегментов САХ. Такой размер аномалий хорошо совпадает с оценками ширины области частичного плавления в мантии под медленными срединно-океаническими хребтами (75 км), полученными в ходе численных экспериментов (Sotin, Parmentier, 1989). Следовательно эпицентры МАЕ вдоль оси С.АХ ассоциируются с аномально высокими температурами в центрах мантийного апвеллинга, вызывающими наличие плотностных неоднородностей в мантии (Lin et al., 1990). Согласно выполненным расчетам двадцатипроцентное отделение расплава эквивалентно, в пересчете на плотностные аномалии, эффекту термического расширения, обусловленному ростом температуры на 500°С (Oxburgh, Parmentier, 1977). Из модели аккреции коры в результате внедрения интрузий (Henstok et al., 1993) следует, что температура в верхних 5 км литосферы не очень высокая (первые сотни градусов). Это позволяет принять плотность коры в первом приближении как постоянную величину. Сейсмические данные свидетельствуют об утонении коры в областях разломов с малым смещением. Таким образом, основной вклад в гравитационные аномалии вносят два эффекта: вариации мощности коры и плотностные неоднородности мантии, вызванные структурой апвеллинга. В рамках гравиметрического метода из-за неоднозначности решения обратной задачи разделить эти эффекты невозможно. Поэтому были рассмотрены два возможных варианта количественной интерпретации:

1. Остаточные мантийные аномалии Буге, вычисленные при условии скомпенсированности коры на границе Мохоровичича в рамках модели Эйри, бьши трансформированы на теоретически вычисленную границу литосфера-астеносфера и пересчитаны в значения мощности литосферы при значении плотностного контраста, равном 0.11 г/см3.

2. Остаточные мантийные аномалии Буге, вычисленные при задании сглаженной поверхности Мохоровичича, были трансформированы на эту поверхность и пересчитаны в значения мощности коры при плотностном контрасте, равном 0.5 г/см3.

Расчеты показали, что ОМБА не могут быть объяснены только за счет вариации границы литосфера-астеносфера, т.к. в этом случае вариации мощности литосферы составляют более 60%, что трудно объяснимо.

Наиболее интересный результат расчета мощности коры заключается в подтверждении полученного ранее феномена смещения участков утонения коры относительно поверхностной сети разломов (Rommevaux, 1994; Zayonchek, Maschenkov, 1995,1996). Систематическое смещение на восточном фланге САХ происходит в южном направлении, а на западном фланге - в северном (Zayonchek, Maschenkov, 1995, 1996). Это хорошо видно из рисунка 3, где показаны результаты выборки значений из гридов ОМАБ, рельефа дна и вариаций мощности коры вдоль реперных осей линейных магнитных аномалий 2А, 5 и 6 на восточном и западном участках САХ. Это явление было отмечено и французскими исследователями по результатам детальных геофизических работ южнее трансформного разлома Атлантис, выполненных в рамках проекта SARA (Rommevaux et al., 1994). Ими была предложена модель, в которой такое смещение объяснялось разнонаправленным падением коровых разломов по обе стороны от хребта. Эта интерпретация опиралась на

0 100 МО 300 400 500 GOO 700 О 100 200 300 «00 500 BOO 700

Рис. 3. Разрезы коры вдоль осей линейных магнитных аномалий 2А, 5 и 6 для восточного (А) и западного (Б) флангов хребта; ОМАБ - остаточные мантийные аномалии Буге; 1-В и 13 - номера разломов (см. рис. 2).

"классическую" технологию трехмерного гравитационного моделирования (Kuo and Forsyth, 1988). Усовершенствованная в рамках настоящего исследования технология позволила осуществить более корректное выделение аномальной составляющей гравитационного поля, тем самым повысив достоверность результатов количественной интерпретации. Проведенное моделирование показывает необоснованность предположения о только коровом заложении разломов на исследованной площади. Повсеместно выявленные смещения между следами положений разломов, закартированными на поверхности дна от продолжений на границе Мохоровичича. Эти смещения составляют первые десятки километров при средней мощности коры, равной 6 км. Это соответствует углу падения разломов в пределах 5-15° градусов, что противоречит имеющимся сейсмическим данным. Если предположить, что разломы продолжаются на всю мощность литосферы, то угол падения становится больше 60°, что является гораздо более вероятным, исходя из результатов сейсмических работ.

Отсюда следует, что наблюдаемые ОМАБ не могут быть объяснены за счет 50% вариации мощности океанической коры, как это принято в подавляющем большинстве работ (Kuo and Forsyth, 1988; Phipps Morgan and Forsyth, 1988; Mordes and Detrick, 1991; Patriat et ai., 1990; Rommevaux et al., 1994).

Возникновение такой разнонаправленной сети разломов относительно дивергентной границы, на взгляд автора, вызвано переориентацией простирания трансформного нарушения Кейн, произошедшего вследствие смены обстановки сжатия на обстановку растяжения в результате позднепалеогеновой реорганизации границ литосферных плит (Srivastava, Tapscott, 1986; Tucholke, Schouten, 1988). Это привело и к изменению простирания граничащих с разломом блоков литосферы. Результаты комплексной интерпретация материалов КБГТ, дополненных данными детальных зарубежных

исследований, свидетельствуют о том, что ключевые изменения геометрии разлома Кейн произошли в период формирования 6-ой линейной магнитной аномалии (Мащенков, 1994). Это подтверждается и результатами трехмерного гравитационного моделирования, из которых следует рост углов падения разломов с увеличением возраста литосферы при удалении от оси раскрытия и их почти вертикальное заложение вдоль оси линейной магнитной аномалии 6 (рис. 3). Следовательно выявленный долгоживущий характер среднемасштабной поверхностной (геоморфологической) сегментации отчетливо проявляется и в глубинном строении литосферы.

Как показало проведенное исследование, основная часть информации, присутствующая в ОМАБ вызвана:

• плотностными неоднородностями в мантии, вызванными независимым действием подосевого астеносферного потока в отдельных сегментах САХ, что приводит к интенсивному мантийному, аппвелингу приблизительно в центрах среднемасштабных сегментов и его ослабеванию по мере приближения к неггрансформным и трансформным нарушениям;

• вариациями глубины границы Мохоровичича, вызванными реализацией изостатической компенсации океанической коры и являющейся следствием цикличности развития низкоскоростных СОХ, когда вулканическую фазу сменяет тектоническая;

• изменением положения границы литосфера-астеносфера относительно теоретически рассчитанного значения, что обусловлено проникновением сети разломов на всю толщину литосферы и, как следствие этого, возникновением плотностных неоднородностей за счет охлаждения блоков, непосредственно примыкающих к областям нарушений в связи с заглублением изотерм солидуса;

На подошве сегментированных блоков литосферы естественным образом создаются подводящие каналы, по которым в сторону дивергентной границы могут двигаться локальные магматические очаги с линейными размерами 1-10 км. Это соответствует выводам Л.И. Лобковского (1988) о том, что "подкачка" таких локальных очагов осуществляется с достаточно обширных областей мантии с линейными размерами в сотни километров. Наличие магматических каверн на подошве литосферы (рис. 4) позволяет

ЗАПАДНЫЙ ФЛАНГ ВОСТОЧНЫЙ ФЛАНГ

Рис.4. Модель строения литосферы. 1-разломы; 2-локальные центры мантииного апвеллинга; "3-направления локального подосевого астеносферного потока; 4-оарьеры; 5-г/эгмагтические каверны; 6-подошва литосферы.

объяснить и долгоживущий характер среднемасштабной сегментации. Таким образом, наблюдаемая в районах низкоскоростного спрединга цикличность вулканизма является следствием постоянно действующей тектонической перестройки САХ, активизирующей сегментированные блоки литосферы Это приводит к падению давления на подошве литосферы в областях тектонических нарушений, проникающих на всю ее толщину и установлению субгоризонтальных градиентов давления, под действием которых расплав будет стремиться "стекаться" в сторону магмавыводящего разлома (Лобковский , 1988). Такой процесс приводит к вулканическому импульсу на дивергентной границе, который сменяется фазой накопления магматических каверн. Согласно гипотезе (Gente, 1987), описывающей морфоструктуру медленноспрединговых хребтов на основе описания цикличности развития рифтовой долины, в вулканическую фазу происходит рост неовулкического хребта, а в тектоническую - раскол и раздвиг, приводящий к образованию сбросовых уступов. Однако, поверхностные (геоморфологические) изменения ориентации среднемасштабных сегментов, вызванные процессом позднепалеогеновой реорганизации границ литосферных плит, произошли довольно быстро (по масштабам геологического времени), в пределах первых миллионов лет, о чем свидетельствует идентификация осей линейных магнитных аномалий. Структурная переориентация глубинных разломов в литосфере продолжается и по сей день, о чем свидетельствует увеличение углов падения разломов по мере увеличения ее возраста (рис. 4.). Это приводит к дальнейшему левостороннему смещению тектонически активного сегмента САХ, расположенного между трансформным разломом Кейн и нарушением 2б"10', о чем свидетельствует несоответствие на этом участке хребта геоморфологического выражения оси рифтовой долины, отрицательных МАБ и осевой магнитной аномалии. Наибольшее смещение наблюдается в районе ТАГ, где геологические исследования выявили вертикальное поднятие восточного блока САХ (Зоненшайн, Кузьмин, 1992), которое невозможно объяснить в рамках модели Жента (1987). Именно в таких аномальных участках может работать альтернативная модель (Lachenburch, 1973), которая объясняет наблюдаемые формы рельефа за счет динамического поддержания бортов рифтовой долины вследствие частичного растекания мантийного вещества в стороны от узкой зоны между двумя расходящимися плитами. Наблюдаемую ассиметрию можно объяснить за счет скопления расплава, доставленного магматическими кавернами вдоль "арки" на подошве литосферы с большой площади. Расплав под действием сил плавучести "выдавливает" восточный борт рифтовой долины и лишь частично доходит до смещающегося в западном направлении магмавыводящего канала. В таких аномальных по своим геолого-геофизическим характеристикам районах можно говорить о том, что глубинные процессы не успевают за поверхностными (тектонический фактор преобладает над магматическим).

Таким образом, комплексный анализ геофизических данных регионального уровня исследования, основанный на применении технологии трехмерного гравитационного моделирования, позволяет выявлять аномальные по своему строению участки литосфер!' такие как гидротермальное поле TAG, что может быть использовано при создан и : концепции минерагенического районирования океана.

Заключение.

Результаты выполненных исследований сводятся к следующему:

1. Проведен сравнительный анализ различных типов гравиметрических данных, полученных по программе КБГТ, и оценена возможность их применения для целей количественной интерпретации.

2. Разработан алгоритм увязки площадных геотраверсных гравиметрических съемок.

3. Разработана оптимальная технология получения цифровых матриц для различных по

" масштабу грави-батиметрических данных на основе использования аппарата

гридирования.

4. Усовершенствована технология 3-D гравитационного моделирования океанической литосферы.

5. Исследованы связи мантийных аномалий Нуге, полученных в результате трехмерного гравитационного моделирования, с сегментацией срединно-океанического хребта.

6. Проведено моделирование эффекта термического разуплотнения литосферы.

7. Установлена пространственная связь рельефа дна и глубинной структуры литосферы с возрастом до 40 млн. лет, сформированной в типичной тектонической обстановке низкоскоростного спрединга.

8. Разработана плотностная модель строения литосферы исследуемого региона.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Согласованная гравиметрическая база данных по результатам многолетних, разномасштабных гравиметрических съемок в полосе Канаро-Багамского геотраверса. //Литосфера океанов: состав, строение, развитие, прогноз и оценка минеральных ресурсов (сборник научных трудов), 1995, С.-Петербург, ВНИИОкеангеология, стр. 102-113;

2) The peculiarities of deep structure and tectonic evolution in the North Central Atlantic based on the results of geological and geophysical investigations at the Canary-Bahamas Geotransect. //Geophysics and Contemporaneous World, abstr., Intern. Scien. Conf., Moscow, 1993, p. 185186 (Co-authors: Maschenkov S.P. E.G. Astafiirova, V.Yu Glebovsky, S.V. Stepanov, M.S. Korneva).

3) The Adjustment Procedure of Different Scale and Long-Standing Marine Gravity Data Over the Canary-Bahamas Geotransect. //International Conference Marine and Airborne Gravity - 94, St. Petersburg, Russia, 1994, abstr., p. 96-97, (Co-authors: Maschenkov S.P., Korneva M.S., Malyutin Yu.D.).

4) Residual Gravity Mantle Bouguer Anomaly Interpretation at MAR and It's Flanks Between Atlantis and Kane F.Z. //EUG-8, Strasbourg, 1995, abstr., p. 355, (Co-autho:r Maschenkov S.P.).

5) A digital Canary-Bahamas Geotransect as representative swath section of slow spreading oceanic crust, IUGG XXI General Assembly, Boulder, 1995, abstr., p. A397, (Co-authors: Maschenkov S.P., Korneva M.S., Stepanov S.V, Astafurova E.G.).

6) Comparison of Crustal Thickness Variations for Slow Spreding Ridges. //AGU Spring Meeting, Baltimore, 1996, abstr., p. 273, (Co-authors Maschenkov S.P., Stepanov S.V.).

7) Tectonic Evolution of MAR and It's Flanks Between Atlantis and Kane Fracture Zones Based on the 3-D Gravity Modeling. //Eos, Trans., AGU, V.78, N.46, 1997, p.693.

8) New 3-D Density Model of Lithosphere Structure of the North-Atlantic Ocean (Based on the Results of the Systematic Geophysical Surveys Under Canary-Bahamas Geotransect) //6th Zonenshain Conference on Plate Tectonics, Moscow, 1998, abstr., p.28, (Co-author: Maschenkov S.P.).