Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Строение земной коры и история геологического развития осадочных бассейнов индоокеанской акватории Антарктики

ВАК РФ 25.00.03, Геотектоника и геодинамика

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Лейченков, Герман Леонидович, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ и экологии РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ МИРОВОГО ОКЕАНА ИМЕНИ

АКАДЕМИКА И.С. ГРАМБЕРГА (ВНИИОКЕАНГЕОЛОГИЯ ИМ. И.С. ГРАМБЕРГА)

на правах рукописи

05201450047

ЛЕЙЧЕНКОВ Герман Леонидович

СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ И ИСТОРИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ОСАДОЧНЫХ БАССЕЙНОВ ИНДООКЕАНСКОЙ

АКВАТОРИИ АНТАРКТИКИ

Специальность: 25.00.03 - геотектоника и геодинамика

Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург 2013

/ / /

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение................................................................................................................................................................................4

1. Географическая и геолого-геофизическая характеристика индоокеанской акватории Антарктики и прилегающей части континента..........................................................................................................................................................................21

1.1. Физико-географическая характеристика, рельеф морского дна и гидрология индоокеанской акватории Антарктики..............................................................................................................................................................21

1.2. Тектоническое строение Восточной Антарктиды..............30

1.3. Изменения климата и природной среды Антарктики в геологическом прошлом....................................................................................................................34

1.4. История геолого-геофизических исследований и их основные результаты..............................................................................................................................42

1.4.1. Бассейн моря Рисер-Ларсена..............................................................47

1.4.2. Бассейн морей Космонавтов, Содружества и Дейвиса; южная часть плато Кергелен......................................................51

1.4.3. Бассейн морей Моусона-Дюрвиля..............................................64

2. Строение и история тектонического развития земной коры осадочных бассейнов индоокеанской акватории Антарктики.. 77

2.1. Строение пассивных континентальных окраин..........................77

2.2. Критерии определения тектонической природы земной коры осадочных бассейнов индоокеанской акватории Антарктики..........................................................................................................................85

2.3. Строение земной осадочных бассейнов индоокеанской акватории Антарктики......................................................................99

2.3.1. Бассейн моря Рисер-JIарсена................................................................101

2.3.2. Бассейн морей Космонавтов, Содружества и Дейвиса............................................................................................................................................................115

2.3.3. Бассейн морей Моусона-Дюрвиля ............................................141

2.4. История тектонического развития осадочных

бассейнов индоокеанской акватории Антарктики................................159

3. Строение осадочного чехла и сейсмостратиграфия бассейнов индоокеанской акватории Антарктики..........................................169

3.1. Мелководная область (шельфы)..........................................................................175

3.2. Глубоководная область........................................................................................................182

3.2.1. Рифтовый структурный этаж..................................................................184

3.2.2. Пострифтовый структурный этаж..................................................194

3.3 Реконструкция изменений природной среды

индоокеанского сектора Антарктики ........................................................................229

4. Углеводородный потенциал осадочных бассейнов индоокеанской акватории Антарктики..............................................................................236

4.1. Общие структурно-тектонические и геологические предпосылки........................................................................................................................................................236

4.2. Гондванские аналоги осадочных бассейнов индоокеанской акватории Антарктики....................................................................239

4.3. Перспективы нефтегазоносности осадочных бассейнов индоокеанской акватории Антарктики....................................................................244

4.4. Перспективы освоения углеводородных ресурсов Антарктики..........................................................................................................................................................253

Заключение........................................................................................................................................................................256

Список литературы..............................................................................................................................................265

ВВЕДЕНИЕ

Объект исследований

Основным объектом исследований является южнополярная акватория от 7° до 150° в.д. и от антарктического побережья до параллели 60° ю.ш. (северная юридическая граница Антарктики, установленная Договором об Антарктике 1961 г; рис. 0.1). Этот регион практически полностью расположен в южной части Индийского океана и поэтому определен в настоящей работе как индоокеанская акватория Антарктики (рис. 0.2).

Индоокеанская акватория Антарктики включает в себя шельф, континентальный склон, подножие континентального склона, абиссальные котловины и южную часть плато Кергелен (рис. 0.1). Отдельные секторы этой акватории получили названия прибрежных морей. К ним относятся: море Рисер-Лерсена (14°-34°в.д.), море Космонавтов (34°-54°в.д.), море Содружества (54°-82°в.д.), море Дейвиса (87°-97°в.д.), море Моусона (96°-113°в.д.), море Дюрвиля (136°-148°в.д.; Атлас Антарктики, 1966). Акватория между морем Содружества и морем Дейвиса называется котловина принцессы Елизаветы. Значительное пространство между морем Моусона и морем Дюрвиля (113°-136°в.д.) названия не имеет (рис. 0.1, 0.2). Северная граница морей четко не определена, но условно принято, что они включают в себя южные части абиссальных котловин: Африкано-Антарктическую котловину, котловину Эндерби, котловину Лабуан и Австрало-Антарктическую котловину (рис. 0.1).

Индоокеанская акватория является наиболее изученной частью Южного океана. Здесь силами ПМГРЭ, под научным руководством и при участии специалистов ВНИИОкеангеология, завершена

рекогносцировочная стадия работ. Собственный набор геофизических (в первую очередь сейсмических) материалов позволяет провести детальное

описание осадочных бассейнов этого региона и дать оценку их углеводородного потенциала. Протяженность изучаемой акватории по широте составляет около 6500 км, а общая ее площадь превышает 4,5 млн. км2.

ВОСТОЧНАЯ

АНТАРКТИДА

¡ЛШ А ^ЗАПАДНАЯ

ШЕ*

А АПТАРКТИ,

Рисунок 0.1 - Регион исследований на карте Антарктики и Южного океана. Коричневым цветом показаны горные массивы и антарктические оазисы, обнажающиеся в дневной поверхности. Цифрами обозначены: 1 - Африкано-Антарктическая котловина, 2 - котловина Лабуан.

Австралия

щщ

цтаркптч'

Рисунок 0.2 - Регион исследований на карте Индийского океана (показано аномальное гравитационное поле в редукции Фая; Sandwell & Smith, 1997). Цифрами обозначены: 1 - море Рисер-Ларсена, 2 - море Космонавтов, 3 - море Содружества, 4 - море Дейвиса, 5 - море Моусона, 6 - море Дюрвиля, 7 - плато Кергелен,

Индоокеанская континентальная окраина Антарктиды и прилегающие к ней котловины образовались в результате рифтогенеза, океанического спрединга и последующего погружения земной коры на протяжении позднего мезозоя и кайнозоя. Эти процессы привели к формированию крупных седиментационных бассейнов с мощностью осадочного чехла до 7-8 км, которые, по предварительным оценкам, обладают высокими перспективами нефтегазоносности. Бассейны имеют

различный возраст заложения (в зависимости от времени начала рифтогенеза) и обособленное пространственное развитие, ограничиваясь поднятиями кристаллического фундамента или вулканическими поднятиями. В изучаемом секторе Антарктики можно выделить три крупных осадочных бассейна, каждый из которых имеет специфические особенности своего развития (особенно на рифтовой и ранней пострифтовой стадии): бассейн моря Рисер-Ларсена, бассейн морей Космонавтов, Содружества, Дейвиса и бассейн, расположенный в секторе от моря Моусона до моря Дюрвиля (далее бассейн морей Моусона-Дюрвиля). Бассейны включают в себя континентальные окраины и южные части океанических их котловин. За внешнюю (мористую) границу окраинных бассейнов условно принимается изопахита 1 км, предположительно очерчивающая область распространения обломочного материала, поступавшего с континента в глубоководную область.

Актуальность исследований

Актуальность исследований определяется национальными геополитическими и научными интересами. Результаты исследований способствуют укреплению геополитических позиций России в современной системе Договора об Антарктике, популяризации полученных знаний и повышению конкурентоспособности российских достижений в мировом научном сообществе. Недра Антарктики считаются резервом потенциального минерального сырья будущих поколений. Протокол об охране окружающей среды южнополярного региона, принятый в системе Договора об Антарктике в 1991 г. и вступивший в силу после ратификации в 1999 г., запрещает до 2049 г. практическую деятельность, связанную с минеральными ресурсами, но не накладывает ограничений на проведение научных исследований, направленных на оценку перспектив обнаружения месторождений полезных ископаемых. В

связи с этим интерес к минеральным ресурсам (и особенно к ресурсам углеводородов в окраинных морях) продолжает оставаться важным стимулом геологического изучения Антарктики.

Геополитические интересы нашего государства отражены в положениях Морской доктрины Российской Федерации, утвержденной Президентом Российской Федерации 27 июля 2001 г. и Стратегии развития деятельности Российской Федерации в Антарктике на период до 2020 года и на более удаленную перспективу, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации 30 октября 2010 г. Морская доктрина указывает на необходимость «проведения научных исследований в Антарктике, как главного элемента осуществления государственной политики, направленной на сохранение и закрепление позиций России в Индийском океане» и «...мониторинга полезных ископаемых и минеральных ресурсов в Мировом океане». Стратегия декларирует, что основной целью геолого-геофизических работ в Антарктике является «изучение фундаментальных закономерностей геологического строения, глубинной структуры и истории формирования земной коры Антарктиды, ее континентальной окраины и прилегающих глубоководных акваторий Южного океана; создание информационной базы для научного прогноза минерально-сырьевого потенциала Антарктики».

Комплексная интерпретация геофизических данных, полученных в индоокеанской акватории Антарктики, позволяет подойти к решению многих фундаментальных проблем эволюции пассивных континентальных окраин, развития океанов и вулканических плато. К числу таких проблем относятся: механизмы экстремального растяжения земной коры и внедрение (вскрытие) континентальной мантии; идентификация границы континент-океан, устойчивость спрединга морского дна в условиях ультрамедленного океанического раскрытия, характер и объем магматизма невулканических окраин; природа земной коры вулканических плато; механизмы внедрения астеносферных плюмов (горячих струй).

Очень важной научной задачей является изучение динамики ледникового покрова Антарктики в геологическом прошлом и причины изменения его объема. В последние годы это наиболее востребованное направление научных исследований в Антарктике, так как понимание этих процессов позволит более точно установить связь между концентрацией парниковых газов в атмосфере и климатом Земли, смоделировать поведение антарктических ледников в условиях устойчивого глобального потепления, а также их влияние на подъем уровня Мирового океана. Последнее, вероятно, является наиболее насущной проблемой современности, так как большая часть населения планеты проживает в прибрежных районах, затопление которых произойдет даже при незначительном подъеме уровня океана.

Эволюция ледникового покрова с момента его возникновения в Антарктиде около 34 млн. лет назад отражается в строении осадочного чехла материковой окраины. Мощность отложений, формировавшихся на протяжении антарктического оледенения, в среднем составляет 0,8-1,2 км, т.е. за миллион лет отлагалось от 30 до 80 м осадков. Это означает, что сейсморазведка МОГТ позволяет выделять слои и осадочные фации, соответствующие циклам осадконакопления в масштабе сотен тысяч первых миллионов лет. Влияние парниковых газов и других природных факторов на климат может быть изучено путем бурения морских осадков. Местоположение скважин выбирается по результатам интерпретации сейсмических данных и здесь большое значение имеет разработка сейсмостратиграфической модели и анализ сейсмических фаций, на основании которых прогнозируется возраст горизонтов осадочного чехла, происхождение осадочных комплексов и их состав. В изучении индоокеанской акватории Антарктики главную роль играют российские сейсмические исследования, которые, благодаря регулярному характеру наблюдений, позволяют выполнить корреляцию региональных сейсмических границ и комплексов в пределах осадочных бассейнов.

Главные научные проблемы изучения индоокеанской окраины Антарктики сформулированы в подпрограмме «Изучение и исследование Антарктики» Федеральной целевой программы (ФЦП) «Мировой океан» и международных программах Научного комитета по исследованиям Антарктики (СКАР) - «Эволюция Антарктического климата» (Antarctic Climate Evolution, АСЕ) и «Динамика антарктического ледникового щита в геологическом прошлом» (Past Antarctic Ice Sheets, PAIS). Результаты исследований способствуют укреплению геополитических позиций России в современной системе Договора об Антарктике, популяризации полученных знаний и повышению конкурентоспособности российских достижений в мировом научном сообществе.

Цели и задачи исследований

Целью исследования является определение структуры земной коры осадочных бассейнов индоокеанской акватории Антарктики и реконструкция истории ее геологического развития. К числу основных задач исследований относятся: 1) выявление границы между рифтогенной континентальной корой и океанической корой; 2) идентификация тектонических провинций; 3) установление структуры земной коры и геологической природы акустического фундамента в окраинных рифтах; 4) уточнение истории распада Гондваны (моделирование спрединга морского дна; определение времени, скорости и характера океанического раскрытия); 5) сейсмостратиграфический анализ (создание сейсмостратиграфической модели осадочного чехла: выделение и пространственная корреляция главных сейсмических границ и сейсмических комплексов, их возрастная привязка, идентификация и определение природы сейсмических фаций); 6) реконструкция истории тектонического развития индоокеанской акватории; 7) реконструкция обстановок осадконакопления и природных условий (деятельности

флювиальных систем; динамики ледового покрова, характера водной циркуляции); 8) оценка перспектив нефтегазоносности осадочных бассейнов.

Научная новизна исследований

Несмотря на большой объем геофизических данных, полученных в индоокеанской акватории Антарктики, многие проблемы строения и эволюции земной коры этого региона (такие как природа земной коры, положение границы континент-океан, геодинамика раннего спрединга морского дна, последовательность и хронология распада Гондваны, особенности и обстановки осадконакопления и др.) оставались нерешенными. В определенной мере это связано с тем, что экспедиции разных стран изучали относительно небольшие площади акваторий окраинных морей, а обобщение накопившихся данных и создание целостной модели развития осадочных бассейнов в контексте распада Гондваны и изменений природной среды не проводились.

В представленной работе на основе всех имеющихся геолого-геофизических данных впервые дана развернутая характеристика строения земной коры индоокеанской акватории Антарктики и создана целостная модель истории ее геологического развития. В результате проведенных исследований выявлена структура и природа фундамента, установлены главные тектонические провинции и выработаны критерии определения границы между корой континентального и океанического типов, предложены новые модели ранней истории распада Восточной Гондваны, изучено строение осадочного чехла и обоснован генезис, состав, условия формирования и возраст сейсмических границ и комплексов; выявлены обстановки осадконакопления, дана оценка углеводородного потенциала осадочных бассейнов.

Особое внимание в работе уделяется осадочной толще, накопившейся после начала устойчивого глобального похолодания и оледенения Антарктиды (т.е. за последние 45 млн. лет). На основе сейсмостратиграфического анализа и корреляции сейсмических данных с результатами бурения идентифицированы границы, соответствующие ключевым этапам изменения природной среды Антарктики, выполнена корреляция этих границ на большей части индоокеанской акватории, установлены темпы осадконакопления в различные периоды геологического времени. В итоге сдел