Исследование строения подводной поверхности и дизъюнктивной морфотектоники осевой зоны срединно-атлантического хребта

2012

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Серия 7

Вып. 1

ГЕОГРАФИЯ

УДК 551.4.04:168.551.4

А. Н. Ласточкин, И. В. Егоров, Т. В. Кузнецов

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОЕНИЯ ПОДВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ДИЗЪЮНКТИВНОЙ МОРФОТЕКТОНИКИ ОСЕВОЙ ЗОНЫ СРЕДИННО-АТЛАНТИЧЕСКОГО ХРЕБТА

Продолжая развивать и апробировать методический комплекс системных геоморфологических исследований осевых зон срединно-океанических хребтов (СОХ), вслед за предыдущей публикацией [1] и на примере того же района в Атлантике (САХ), рассмотрим технологию изучения дизъюнктивной морфотектоники, определившей если не основную, то существенную роль в рельефо-, структуро- и рудообразовании, а также в строении подводной поверхности этой и подобных ей территорий.

Технологии исследований. Для этого используется опыт геоморфологических исследований дизъюнктивных дислокаций на суше и шельфе [2], который, почему-то, как правило, игнорируется при геологоразведочных работах в океане. Он дополнен новыми приемами и в значительной мере модифицирован в соответствии с особенностями контрастного и резко анизотропного рельефа СОХ, отражением и высокой активностью новейших (плейстоценовых, голоценовых и современных) тектоно-вулканических процессов, пространственно и генетически связанных с разрывными нарушениями разных кинематических категорий.

Пока очевидным являются лишь общепринятые геолого-геоморфологические представления о связях между активными, в настоящем и самом недавнем геологическом прошлом, геодинамическими процессами и непосредственным (не затушеванным маломощным покровом осадков) отражении их в современном и молодом («только что сформированном») рельефе приосевых зон СОХ. Базируясь на это сугубо теоретическое положение, которое пока является не более, чем «общим местом» морфотектоники, необходимо исследовать конкретное проявление различных форм неотектогенеза и видов вулканизма в разных строго определенных (систематизированных и формализованных в рамках общей теории геосистем [3]) элементах и структурах подводной поверхности (ПП) различных категорий.

Морфодинамическое разнообразие в рельефе и рельефообразующих процессах, с которым связана рудоносность осевых зон, не позволяет ограничиться одной обычно требуемой от геоморфологов итоговой картой, на которой могло бы быть выявлено

© А. Н. Ласточкин, И. В. Егоров, Т. В. Кузнецов, 2012

и отражено это разнообразие «все и сразу». Оно требует привлечения целого ряда известных и специальной разработки новых промежуточных построений, их всестороннего анализа и геодинамического истолкования отраженных на них разных аспектов рельефа (состава и структуры) ПП. Обширность обычно игнорируемой геологами и геофизиками «геоморфологической кухни» оправдывается не только сложностью объекта, но и той ведущей ролью, которая играет или, вернее, должна играть, гипергенная геоморфология в его изучении и поисково-разведочных работах. В них каждая составная часть (аспект) рельефа и прогноза рудоносности нуждается в соответствующем обосновании, которое может быть получено с помощью целого ряда следующих начальных и промежуточных построений:

1. Общее исследование и (аналитическое, орографическое) картографирование рельефа;

2. Структурно-морфометрические построения, направленные на выявление, отражение и анализ структуры ПП по: а) вертикали (методика В. П. Философова [4]) и б) по латерали — построение и анализ структурной координатной сети (СКС);

3. Выделение и характеристика площадных (блоково-разрывных и сводовых), линейных и зональных (линеаментов) и концентрических разновозрастных морфоструктур тектонической, вулканической и тектоно-вулканической природы;

4. Соотношение видов и скоростей осадконакопления с элементами и формами ПП;

5. Взаимно увязанное отражение перечисленной информации на сводной морфо-тектонической карте;

6. Использования последней при оценке морфодинамических критериев рудонос-ности.

Общий и специальный этапы предлагаются осуществить в той последовательности, которая определяется морфодинамической концепцией геоморфологии, направляющей ее исследования от формы к содержанию или от морфологии к динамике [3, 5]. Специальные исследования не могут быть осуществлены без предваряющего их создания морфологической основы, а именно общего геоморфологического картографирования и структурно-морфометрического анализа и ее динамической интерпретации. Сводное морфотектоническое картографирование с отражением гетерогенного и разновозрастного морфоструктурного плана в целом предусматривает проведение частных построений, направленных на выявление и характеристику разных форм и видов неотектогенеза и вулканизма, проявляющихся в различных категориях элементов ПП и состоящих из них морфоструктур.

В предыдущей публикации [1] рассматривались результаты разработки и применения входящего в комплекс геоморфологических исследований аналитического картографирования и структурно-морфометрического анализа строения ПП по вертикали. Ставя перед собой задачу, опубликовать все перечисленные составляющие методического комплекса, в данной статье изложена методика исследования дизъюнктивной морфотектоники осевых зон СОХ. В значительной мере она базируется на результатах уже выполненных построений. К ним также относятся создание и интерпретация карты СКС, отражающие строение ПП в плане, а также промежуточные карты, используемые при изучении дизъюнктивной морфотектоники на суше.

Построение структурно-координатной сети. Создание СКС осуществляется в рамках структурного анализа с использованием особых моделей — сетей или решеток при изучении многими естественными науками строения своих объектов. В геоморфологии

51

она является вторичной моделью или «моделью модели» — строгим упрощением аналитической карты, составленной на системно-морфологическом принципе [2]. Она рассматривается в качестве специального этапа изучении строения ПП. Если аналитическая карта призвана отражать элементы всех категорий или состав ПП, то СКС направлена на фиксацию основных черт ее структуры или строения. Эти черты выражены во взаимном положении и форме главных, верхних и нижних, элементов ПП, которым подчинена позиция всех ее остальных, склоновых, элементарных частей.

СКС включает три взаимно перпендикулярных направления (системы): продольное — гребневые килевые ^2) и дополнительные линии; поперечное (X) и вертикальное (Щ Построения СКС предусматривает следующие процедуры [2, 6]:

1. Фиксацию структурных линий (СЛ) L1 и L2 , медианных линий вытянутых и линейных контуров плосковершинных нижних и верхних ЭП, изометричных контуров этих поверхностей и вершин О1^ и С-0;

2. Обогащение этих линий дополнительными, проведенными методом интерполяции (с помощью интерполяционных палеток) через равные расстояния. Перечисленные элементы представляют направление Y;

3. Трассирование поперечных линий путём последовательного приращения перпендикуляров к структурным и дополнительным линиям (точнее к касательным к ним), отражающим направление Х;

4. Обозначение стрелками на перечисленных линиях направления падения ПП или систему Н;

5. Фиксация разрывов сплошности СКС, границ рисунков и элементов их симметрии.

Получив упрощенную (отражающую только строение ПП), модель c ее помощью можно приступить к изучению симметрии рельефа, а также, зафиксировав разрывы сплошности и границы рисунков СКС, интерпретировать их в качестве геоморфологических признаков проявления дизъюнктивных дислокаций. Изучение симметрии рельефа основывается на соотнесении реальных фигур СКС с четырьмя группами идеальных рисунков симметричных линий на плоскости (сечений конуса): а) радиально-концентрический, б) стреловидный, в) эллипсовидный или гиперболовидный и г) решетчатый (см. рис. 1). Учет падения линий Х и Y или знак вертикальных соотношений по направлению Н позволяет выделить конечное множество (число вариантов — 22) или полную группу идеальных рисунков СКС, с которыми могут быть идентифицированы ее реальные фигуры. Вслед за этой идентификацией можно определить (и даже количественно оценить) искажение или диссимметрию последних. Симметрия и дис-симметрия поддается морфодинамической интерпретации реальных выделенных в изученном районе (рис. 2) рисунков в работах [2, 5, 6].

Основные черты строения ПП приосевой зоны в плане. В северной части изучаемого участка расположен трансформный разлом Зелёного мыса. Видимые нам его южный борт и часть дна представлены сетчатым рисунком 4-Е субширотного простирания. По краю разлома расположились радиально-концентрические рисунки 1-А,С, соответствующие вулканическим конусам. Радиально-концентрические рисунки в целом хорошо отображают как современные, так и древние вулканические образования. Причём, зачастую, мы видим лишь разрозненные части этих образований, что можно использовать как признак дизъюнктивных нарушений.

52

Рис. 1. Полная группа идеальных рисунков структурно-координатной сети.

На границе трансформного разлома сетчатый рисунок меняется с субширотного на субмеридиональный, характерный для рифтовой долины данного участка САХ. Нами было выделено несколько блоков с сетчатым типом рисунков, незначительно отличающихся между собой по простиранию. Границы этих рисунков также служат одним из признаков разрывных нарушений.

Трансформный разлом на широте 14°40' хорошо выделяется разрывами сплошности СКС, изменением направления сетчатого рисунка вплоть до субширотного и вулканическими образованиями, запечатлёнными радиально-концентрическим рисунком справа.

Южнее между 14°00' и 14°20' в левой части рифтовой долины внимание привлекают два образования с радиально-концентрическим рисунком 1-Е.. Это, вероятно, разорванные древние огромные вулканические конуса, южнее которых находится ещё один трансформный разлом, выделяющийся разрывами сплошности СКС.

Далее на юг линии X изгибаются и меняют направление с субмеридионального на северо-западное. Между 13°10' и 13°35' находится гигантское образование с радиально-концентрическим рисунком 1-Е, отделённое от левого борта долины разрывом сплошности сети.

53

Рис. 2. Геоморфологическая (аналитическая) карта рельефа осевой зоны срединно-атлантического хребта. 1 — линии Y; 2 — линии X; 3 — границы рисунков СКС; 4 — границы блоков с одинаковым рисунком СКС, но с разной его ориентацией в пространстве; 5 — разрывы сплошности СКС,

6 — индексы рисунков СКС (см. рис. 1).

В южном конце изучаемого участка расположен разлом Марафон. Он зафиксирован как разрывом сплошности СКС, так и изменением направления продольных линий, что говорит о сдвиговых движениях по разлому.

Признаки проявления дизъюнктивных нарушений. Дизъюнктивные (линейные) морфоструктуры характеризуются большим разнообразием их проявления как на первичной (батиметрической карте), так и на последующих моделях, отражающих морфологию и взаимное положение элементов (картах СКС, поливершинных и полибазисных поверхностей, аналитической карте). Общими признаками их являются прямолинейность, параллельность, плановые смещения группы параллельных элементов, взаимная перпендикулярность элементов и их значительная протяженность и согласованные резкие изгибы при встрече друг с другом. Эти признаки, хотя и менее определенно, проявляются в рисовке изобат (в прямолинейных и субпараллельных отрезках, изломах, крестообразном расположении [2]). Наряду с отмеченной меньшей четкостью рисунки субпараллельных фрагментов горизонталей отражают такие линеаменты, которые не проявляются даже на специальных построениях (картах избранных простираний, плотности линий избранных простираний). К таковым, в частности, относятся серии дугообразных изобат, отражающих концентрические разломы, ограничивающие вулканические своды и их сохранившиеся (после обрушения сегментов, секторов или неправильных по форме фрагментов) части. Следует отметить и частую эллипсовидную форму в основном субмеридионально ориентированных вулканических сводов и их фрагментов, которые при поступлении образующего их материала в вертикальном направлении вместе с этим формируются в преобладающих в осевых зонах СОХ условиях горизонтальных (субширотных) напряжений растяжения земной коры (спрединга). Указанное многообразие усложняет интерпретацию часто не совпадающих по простиранию (разноориентированных), протяженности и положению многочисленных линий и зон и требует составления специальной карты признаков геоморфологического проявления дизъюнктивной формы неотектогенеза (рис. 3).

Для изучения дизъюнктивной тектоники выполнено несколько построений:

1. Карты избранных простираний прямолинейных элементов по трём парам взаимно перпендикулярных систем планетарной трещиноватости. Дизъюнктивно предопределенные линии и зоны выявляются путём их отбраковки по протяженности и положению в общей совокупности линейных элементов;

2. Карты плотности (густоты) прямолинейных элементов;

3. Карта следующих признаков дизъюнктивных дислокаций (рис. 3): а) прямолинейные элементы избранных простираний; б) прямолинейные элементы разных простираний; в) линии максимальной плотности прямолинейных элементов всех простираний; г) линии максимальной плотности избранных простираний; д) границы рисунков и разрывы сплошности СКС; е) линии, полученные при анализе сейсмичности, на которых расположены три и более эпицентра землетрясений.

Переход от одного реального рисунка СКС к другому обычно затруднен разрывом линий на их границе, относящихся к одной и той же системе (Х или Y). В этом, по сути, и проявляется естественная делимость СКС на отдельные ингредиенты, которая, в свою очередь, отражает тектоно-вулканическую делимость земной коры. Кроме границ перечисленных (см. рис. 1) рисунков СКС имеют место разрывы ее сплошности, отделяющих друг от друга рисунки, относящиеся к одной и той же категории. В основном это относится к преобладающим в приосевых зонах СОХ решетчатым рисункам. Наиболее

56

Рис. 3. Карта признаков проявления дизъюнктивных нарушений. 1 — признаки прямолинейных элементов по всем трем парам взаимно перпендикулярных систем планетарной трещиноватости; 2 — признаки прямолинейных элементов, выделенные по изобатам; 3 — признаки прямолинейных элементов по избранным простираниям;

Рис. 3. Продолжение: 4 — границы рисунков структурно-координатной сети; 5 — эпицентры землетрясений; 6 — признаки прямолинейных элементов по эпицентрам землетрясений; 7 — линии максимальной плотности прямолинейных элементов; 8 — разрывы сплошности СКС; 9 — границы областей с сетчатым рисунком СКС, но с отличным простиранием

ярко проявляются самые протяженные в сети и в поле горизонтальных напряжений границы, фиксируемые стрелками на (утолщенных см. на рис. 2 ) линиях системы Х. Они соотносятся с упрощенными гребневыми и килевыми линиями, проведенными по картам поливершинной и полибазисной поверхностей, отражающими оси современной рифтовой долины и обрамляющих ее с двух сторон наиболее высоких гор. Менее отчетливо и, можно сказать, даже латентно проявляются субширотно ориентированные разрывы сплошности наиболее распространенных решетчатых рисунков СКС, в пределах которых система У направлена субмеридионально. Несмотря на то, что по обе стороны от этих разрывов простирание смежных и удаленных друг от друга линий системы У различаются всего на несколько градусов (не более 5°), сам этот факт также свидетельствует, вероятно, о неравномерном распределении горизонтальных напряжений в земной коре, что не может не сказаться на различиях в ее проницаемости и вертикальной миграции высокотемпературных рудоносных растворов.

Четкому анализу поддаются взаимно параллельные фрагменты изобат на склонах, фиксация которых позволяет выявить наиболее отчетливо проявляющиеся в рельефе линеаменты разной конфигурации в плане. Для более уверенного их выделения следует использовать карты избранных простираний, создание которых основано на представлениях о планетарной (нормальной, системной) трещиноватости, представленной тремя парами взаимно перпендикулярных направлений с азимутальными углами 0° и 90°, 30° и 300°, 60° и 330° [2, 7, 8]. Для еще более уверенного выделения линеаментов, принадлежащих к одной из шести перечисленных систем, целесообразно построить карты их плотности, оцениваемой (количеством или суммарной длиной фрагментов) в анизотропной палетке, направленной в соответствии с избранными простираниями и перемещающимися в нормальном к каждому из этих простираний направлении способом скользящего окна. Подобная «азимутальная статистика» позволяет зафиксировать наиболее протяженные линеаменты, связь модальных значений (количества и/или плотности) которых с дизъюнктивными дислокациями наиболее вероятна, а остальные линии, не попадающие в зоны их наибольшего распространения, исключить.

В карту признаков проявления дизъюнктивных нарушений включены зафиксированные в районе исследования эпицентры землетрясений. Их фиксация имеет особое значение только в тех случаях, когда прямая линия связывает не два, а несколько эпицентров. И чем больше их она соединяет в единую прямолинейную зону, тем наиболее вероятны ее дизъюнктивная предопределенность и сейсмическая активность.

Проявления дизъюнктивных нарушений в сочетаниях морфологических признаков. Карта признаков прямолинейных элементов (см. рис. 3) была построена на основе ряда материалов: батиметрическая основа масштаба 1:200000 с заложением 100 м, предоставленная Южморгео; карта структурно-координатной сети; данных по микро-сейсмике на данный район. Эти материалы позволили выявить ряд признаков дизъюнктивных нарушений. На основе карты признаков дизъюнктивных нарушений была построена карта наиболее чётко выраженных дизъюнктивных нарушений (рис. 4).

Срединно-Атлантический хребет на изучаемой территории имеет субмеридиональное простирание. В северной и южной частях карты расположены крупные трансформные разломы. Дизъюнктивные нарушения, связанные с трансформным разломом, отражены всеми признаками и трассируются на всю ширину участка. При этом наибольшее значение представляют признаки, выявленные по картам плотности по избранным простираниям и по всем трем парам взаимно перпендикулярных систем,

59

45°0'

Рис. 4. Карта наиболее чётко выраженных дизъюнктивных нарушений

60

а также признаки, выявленные по данным микросейсмики. Между 14°30'—14°40', 13°50'-14000' и 13°20'-13°30' вытянутые субширотно на всю ширину участка дизъюнктивные нарушения отражают трансформные разломы.

Наиболее широко на участке представлены разрывные нарушения субмеридионального простирания, связанные с развитием рифтовой долины. Они отражают естественную, характерную, картину рельефа. Эти дизъюнктивные нарушения фиксируются как визуально на батиметрической основе, так и на картах плотности прямолинейных элементов. Чётко выраженные хорошо трассируемые дизъюнктивные дислокации субмеридионального простирания могут быть изучены как один из признаков рифтовой долины.

Отдельный интерес представляют дизъюнктивные нарушения диагонального направления (северо-западного и северо-восточного простирания). С ними в основном связаны такие признаки, как расположение эпицентров землетрясений и разрывы сплошности СКС, а также максимальная плотность прямолинейных элементов всех простираний и признаки прямолинейных элементов, выделенные по всем трем парам взаимно перпендикулярных систем планетарной трещиноватости. Они опоясывают вулканические образования. Примыкающие к крупным (север и юг участка) трансформным разломам разрывные нарушения часто имеют диагональную направленность, что может говорить об изменении направления вследствие сдвиговых движений по трансформным разломам.

Границы рифтовой долины и ее сегментов. До сих пор в изученном регионе отсутствуют общепризнанные границы рифтовой долины. В целом считается, что низ-коспрединговые хребты обрамлены так называемыми нормальными и аномальными краевыми уступами [9]. Более распространенные первые из них представляют собой системы параллельных сбросовых уступов, составляющих нижнюю часть бортов рифта. Под аномальными краевыми уступами, судя по всему, понимается не только верхняя часть его склона, а среднегорное обрамление рифтовой долины. Разделение между этими «краевыми уступами», вероятно, отражает принципиальную геодинамическую границу между вовлеченной в опускание всего рифта нижней части его бортов (или систем сбросов) и поднимающимися краями расходящихся друг от друга литосфер-ных плит. Данная граница фиксирует смену зон поперечного растяжения (спрединга) и зонами поперечного сжатия, направленного в сторону флангов СОХ. Вероятно, эта смена горизонтального растяжения на сжатие в земной коре имеет и важное гидротермальное значение, отражая смену нисходящего потока холодных океанических вод и восходящую миграцию горячих гидротермальных растворов.

Для более строгого выделения рифта и разграничения рифтовой долины на ее нижнюю и верхнюю части необходимо зафиксировать верхнюю границу горного обрамления и границу между «аномальным и нормальным уступами» на борту рифта. Строгость фиксации данных границ достигается: а) изначальным выделением структурных линий (СЛ) L5 и L6 на морфометрических построениях В.П. Философова [4], которое позволяет хотя и грубо, но непрерывно трассировать границы рифтовой долины и частей их бортов на всем ее протяжении, и б) последующей детальной привязки выделенных СЛ к фрагментам этих реальных линейных элементов, четко выраженных и однозначно выделяемых на аналитической и батиметрической картах. В тех местах, где такая четкость утрачена в результате проявления «местных» (вулканических, гравитационных или каких-либо других) процессов, фрагменты СЛ соединяются друг с другом

61

в соответствии с проведением этих линейных элементов по морфометрическим построениям В. П. Философова.

При интерпретации карт поливершинных и полибазисных поверхностей следует иметь в виду, что в отличие от их гипсометрии на суше их батиметрическое положение на «аномальных уступах» или на среднегорном обрамлении рифтов практически не различается. Это связано с отсутствием тектонического расчленения в условиях существенных горизонтальных напряжений поперечного сжатия. Последнее по направлению к флангам СОХ постепенно снижается и трансформируется в поперечное растяжение по мере увеличения амплитуд дифференцированного опускания блоков хребта по сбросовым уступам к океаническим котловинам. Поэтому верхняя граница рифтовой долины фиксируется по всем, построенным ранее [3] трем картам. Верхняя граница рифта — линия L , падающая в сторону днища долины, может быть намечена по картам полибазисной, и с большей степенью уверенности, — поливершинной поверхностей.

Дополнительным материалом для ее трассирования служит зона перехода от минимальных (и даже от нулевых) значений к резко возрастающим на склоне величинам разности поливершинной и полибазисной поверхностей. Эта граница может быть морфотектонически истолкована как смена сжатия на растяжение, высокоамплитудных подъемов единых блоков на резко дифференцированные опускания нижней части бортов по сбросам. Чередование слабо и резко опущенных крыльев сбросовых дислокаций создает условия для образования разделяющих их и осложняющих нижнюю часть бортов параллельных им желобов с фиксирующими их линиями L2 Амплитуды смещений нижних крыльев сбросов, судя по всему, увеличиваются вниз по поперечному профилю долины. Относительно высокие значения разности глубин поливершинной и полибазисной поверхностей на днище рифта объясняются наличием в его пределах разновозрастных экструзивных хребтов (СЛ L ) и других построек, чаще всего — вулканических сводов, многие из которых фиксируют положение подповерхностных магматических коровых камер и достигают глубин линий L1 в зоне «нормальных уступов» [9]. Границу между «нормальным уступом» и днищем рифтовой долины или подошву ее бортов (линию подножия; L) провести по этой карте не представляется возможным. Более определенной — проявляется ось рифта ^2).

Литература:

1. Ласточкин А. Н., Егоров И. В., Кузнецов Т. В. Опыт традиционного и системного картографирования рельефа осевой зоны Срединно-Атлантического хребта (между параллелями 12°40' и 15°10' с.ш.). // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7. 2011. Вып. 1. С. 54-66.

2. Ласточкин А. Н. Рельеф земной поверхности. Л.: Недра, 1991. 340 с.

3. Ласточкин А. Н. Общая теория геосистем. СПб., Изд-во СПбГУ. 2011. 706 с.

4. Философов В. П. Основы морфометрического метода поисков тектонических структур. Изд-во Саратовского университета, 1975. 230 с.

5. Ласточкин А. Н. Системно-морфологическое основание наук о Земле. СПб: Изд-во СПбГУ, 2002. 762 с.

6. Ласточкин А. Н. Морфологическая система как методическая основа геоморфологических исследований океанического дна //Геоморфологические исследования океанического дна / под ред. А. Н. Ласточкина. Л., 1987. С. 7-22.

7. Воронов П. С. Очерки о закономерностях морфологии глобального рельефа Земли. Л.: Наука, 1968. 123 с.

62

8. Воронов П. С., Ласточкин А. Н., Рейнин И. В., Якушев В. И. Закономерности ориентировки деформаций как следствие общепланетарных тектонических процессов //Тр. ААНИИ, Т. 285. 1968. С. 46-61.

9. Богданов Ю. А., Лисицын А. П., Сагалевич А. М., Гурвич Е. Г. Гидротермальный рудогенез океанского дна. М.: Наука, 2006. 527 с.

Статья поступила в редакцию 26 сентября 2011 г.