Comparison of oceanic crust accretion features with low-velocity and ultralow-velocity spreading

РОССИЙСКИЙ ЖУРНАЛ НАУК О ЗЕМЛЕ, ТОМ 2, N 3, Декабрь 2000

Сопоставление особенностей аккреции океанической коры при низкоскоростном и сверхнизкоскоростном спрединге

Е. Г. Астафурова, Н. И. Гуревич, Е. Д. Даниэль, С. П. Мащенков

ВНИИОкеангеология

Аннотация. Выполнено сопоставление основных характеристик осевых зон низкоскоростного Срединно-Атлантического хребта (САХ) в полосе Канаро-Багамского геотраверса между 24 и 29° с.ш. и юго-восточной части сверхнизкоскоростного хребта Гаккеля, Северный Ледовитый океан, между 81°16/ и 84°30/ с.ш. Результаты сопоставления показали, что более холодный термический режим литосферы при сверхнизкоскоростном спрединге, по сравнению с низкоскоростным, связанный с уменьшением количества поставляемого из мантии расплава, приводит: к преобладанию режима тектонического растяжения и более редким проявлениям вулканических центров у оси хребта Гаккеля по сравнению с САХ; к более широкой и глубокой, чем у САХ, рифтовой долине хребта Гаккеля, которую местами, из-за явно выраженной неравномерности магматического снабжения, могут заполнять вулканические постройки; к отличиям в стиле геоморфологической сегментации, заключающимся в отсутствии свойственных САХ смещений рифтовой долины и ее днища вблизи границ сегментов у хребта Гаккеля и в различиях в форме рельефа для вдо-льосевого профиля глубин хребтов Гаккеля и САХ; к утонению земной коры и иным закономерностям вдоль осевых вариаций ее мощности у хребта Гаккеля по сравнению с корой САХ. Указанные различия находят отражение в характере геофизических полей. В большинстве сегментов хребта Гаккеля, в связи с незначительными изменениями мощности коры, отсутствуют типичные для САХ вариации мантийных аномалий Буге, в то время как в тех сегментах, где имеются вулканические центры, диапазон изменения МАБ, а следовательно и мощности коры, может быть значительно больше, чем у САХ. Связь между аномальным магнитным полем и вулкано-тектоническим режимом у хребта Гаккеля более сложная, чем у САХ.

На протяжении последних 15 лет во ВНИИОке- Атлантического хребта (САХ) в полосе Канаро-ангеология проводятся исследования геоморфологи- Багамского геотраверса (КБГТ) между 24 и 29° с.ш. ческих особенностей и геофизических полей осевых длиной 650 км и сверхнизкоскоростного хребта Гак-зон срединно-океанических хребтов (СОХ). На осно- келя (ХГ) Северный Ледовитый океан, в его юго-вании комплексной интерпретации материалов раз- восточной части между 81° 16' и 84°30' с.ш. длиной личных геофизических съемок, с привлечением гео- около 350 км. При изучении этих регионов авторы логических данных, удалось выявить эффект отно- использовали оригинальные материалы, полученные сительного изменения их магматического снабжения ВНИИОкеангеология в совместных экспедициях с и, как следствие, различий вулкано-тектонического ГУНиО и организациями ассоциации “Севморгеоло-режима в пространстве и времени [Глубинное строе- гия” , а также привлекали прочие отечественные и ние..., 1998]. В последние пять лет объектами иссле- зарубежные данные и результаты их интерпрета-дований явились оси низкоскоростного Срединно- ции. Перечень и характеристика использованных

материалов приведены в работах [Глубинное стро-

--------------------------------- ение..., 1998; Гуревич и др., 1999]. Компьютерное

©2000 Российский журнал наук о Земле. обобщение и обработка полученных материалов с

Статья N RJE00046. использованием новейших технологий позволили соп » - ,г опт здать согласованные базы данных, провести гриди-

Онлаиновая версия этой статьи опубликована 15 января 2001. ^ j f f

URL: http://eos.wdcb. ru/rjes/v03/RJE00046/RJE00046.htm рование, получить в одних и тех же ячейках глубины

Таблица 1. Сопоставление основных характеристик осевых зон САХ и юго-восточной части хребта Гаккеля

№ Бдиницы Диапазон изменения

п/п Характеристики измерения характеристик

у оси САХ у оси ХГ

1 Полная скорость спрединга см/год 2,4 0,8

2 Ширина рифтовой долины км 124-46 СО •I- 00

3 Максимальный возраст дна в пределах рифтовой долины млн лет 0,54-1,9 4,64-8,5

4 Ширина днища рифтовой долины км 24-18 84-34

5 Максимальный возраст дна в днище рифтовой долины млн лет 0,084-0,75 0,94-4,3

6 Глубина днища долины м 28504-4700 38004-5300 (29004-5300)*

7 Глубина фундамента в днище долины м 28504-4700 43004-5500 (35004-5500)*

8 Глубина дна в районе рифтовых гор м 15004-3500 16004-3750

9 Глубина кровли фундамента в районе рифтовых гор м 15004-3500 20004-4000

10 Количество сегментов шт. 10 6

11 Длина сегментов км 244-104 284-102

12 Смещения между сегментами км 64-14 0

13 Высоты бортов долины:

а - в центре сегментов; м 4764-2370 7004-2600

б - у концов сегментов м 904-1943 4004-2000

14 Вариации глубин днища в пределах сегментов м 1004-900 304-2200

15 Вариации глубин кровли фундамента в пределах сегментов м 1004-900 304-1830

16 Интенсивность аномалии в свободном воздухе над днищем рифтовой долины мГал 1 О •I- о —404-+22

17 Интенсивность МАБ над днищем рифтовой долины мГал -1704—84 -2354—135

18 Величина вариаций МАБ в пределах сегментов мГал 4,54-46 34-35 (34-90)*

19 Мощность коры по результатам гравитационного моделирования:

а - под днищем рифтовой долины; км 44-10 3,04-3,8 (3,04-7,5)*

б - под рифтовыми горами км 54-10 4,54-5,0

20 Интенсивность осевой магнитной аномалии нТл +664-+7Э4 (1) +294-+7Э4 (2) -1504-+350

21 Ширина осевой магнитной аномалии км 15,54-34 84-25

22 Максимальный возраст пород в источнике осевой магнитной аномалии (осевом блоке) млн лет 0,654-1,4 1,04-3,1

23 Количество инверсий геомагнитного поля за время формирования осевого блока шт. 04-3 34-13

24 Продолжительность полярности геомагнитного поля во время формирования осевого блока:

а - прямой. . . млн лет 0,654-0,78 0,784-1,51

б - обратной. . . млн лет 04-0,62 0,224-1,59

25 Количество ВЦ в пределах участков шт. 11 2

26 Количество ВЦ на 100 км длины шт. 1,7 0,55

27 Количество ВЦ в одном сегменте шт. 14-2 (кроме 2 и 7 сегментов) Только в двух сегментах по одному

28 Расстояния между ВЦ км 134-110 180

29 Количество сегментов в преимущественно тектоническом режиме шт. 1

Примечания: * — в скобках указан диапазон параметров с учетом осевого вулканического поднятия. (1) — максимальная интенсивность осевой магнитной аномалии, (2) — интенсивность осевой магнитной аномалии у морфологически выраженной оси центра спрединга.

дна, магнитные аномалии (ДТ)а, эффективную намагниченность J3i, аномалии в свободном воздухе, мантийные аномалии Буге (МАБ), а на хребте Гак-келя, где проводились систематические сейсмические зондирования МОВ, и мощности осадочного чехла. Это позволило провести комплексную интерпретацию перечисленных характеристик в пределах обоих регионов [Глубинное строение..., 1998; Гуревич и др., 1999]. В данной статье проведено сопоставление этих характеристик и результатов их интерпретации между регионами (табл. 1). Сопоставление двадцати девяти характеристик, включенных в таблицу, наглядно демонстрирует основные изменения в морфологии, морфометрии, стиле сегментации, геофизических полях и вулкано-тектонических режимах при уменьшении скорости спрединга в три раза, которое предопределяет отнесение рассматриваемых участков к двум разным классам СОХ: Срединно-Атлантический хребет относится к классу низкоскоростных центров спрединга, а юговосточная часть хребта Гаккеля - сверхнизкоскоростных.

При сопоставлении характеристик участков обоих хребтов были исключены их северные части, включавшие лишь южные концы северных сегментов. Характеристики этих участков приведены на рис. 1 и 2, на которых, в отличие от таблицы, показаны не просто диапазоны всех характеристик, а их изменения вдоль оси.

Собственно таблица и три рисунка уже позволяют понять основные отличия сверхнизкоскоростного СОХ от низкоскоростного. Поэтому ограничимся краткой пояснительной запиской к ним.

На обоих хребтах в пределах исследуемых участков четко следятся рифтовые долины и обрамляющие их рифтовые горы. Но у хребта Гаккеля риф-товая долина и ее днище значительно шире и глубже, а возрастной диапазон пород в рифтовой долине в 4,5-^5 раз больше. Обрамляющие рифтовую долину рифтовые горы также глубже у хребта Гаккеля. Особенно заметной является разница, если сравнивать глубины до кровли океанического фундамента, который на САХ совпадает с дном, а на ХГ покрыт сплошным осадочным чехлом значительной мощности, нивелирующим, но не совсем скрывающим первичный вулкано-тектонический рельеф. Большая ширина рифтовой долины хребта Гаккеля и ее днища соответствует модели рельефообразования в осевой зоне Г. Харпера [Harper, 1985], согласно которой при опускании границы “хрупкое/пластичное состояние”, определяемой изотермой 750°С, возникает более широкая рифтовая долина. Большая глубина изотермы 750°С на ХГ связана с холодным термическим режимом, который, по результатам исследований Дж. Боуна и Р. Уайта [Bown and White,

1994], свойственен СОХ с полной скоростью спрединга менее 1,5 см/год и связан, по их мнению, с кон-дуктивным остыванием мантийного апвеллинга под такими хребтами, что заметно уменьшает сумму расплава, генерированного декомпрессией. С уменьшением магматического снабжения ХГ связаны и уменьшение мощности коры, и особенности вулканотектонического режима, и иной стиль сегментации.

Осевые зоны и САХ, и ХГ сегментированы (рис. 1, 2, 3). Границы сегментов и там, и там приурочены к депрессиям в рифтовых горах и в днище рифтовой долины. Исследования на КБГТ показали, что сегментация САХ является долгоживущей [Глубинное строение..., 1998]. У ХГ границы сегментов прослежены до коры возраста 18 млн лет - до границ района исследований. На обоих хребтах границы сегментов мигрируют со временем. Но у САХ у границ сегментов наблюдается смещение рифтовой долины, а у ХГ лишь изменение ее простирания. Правда, в обоих регионах к границам сегментов приурочено смещение осевой магнитной аномалии (рис. 3), что свидетельствует о смещении неовулканических зон. В днище рифтовой долины ХГ типичная для САХ морфология вдольосевого профиля, с поднятием в центре сегмента и понижениями у концов, наблюдается только в двух сегментах из семи, во II и IV. Остальные четыре сегмента ХГ характеризуются волнистой слабоамплитудной формой кривой продольного профиля, однако и морфология хребта, и особенности геофизических полей в пределах этих сегментов отличаются от соседних. Отсутствие в этих сегментах поднятий дна и минимумов МАБ позволило заключить, что в них преобладает режим тектонического растяжения. У САХ подобный режим установлен только в одном сегменте из десяти [Гуревич и др., 1999]. Подобные отличия в режимах у осей хребтов связаны с более холодной литосферой ХГ.

Особенно холодную термальную структуру литосферы ХГ имеет к югу от 82° с.ш. Здесь, как и на супернизкоскоростном Юго-Западном Индийском хребте к востоку от зоны разлома Мелвилл [Mevel and Татакг, 1998], значительно варьируют глубины дна: во II сегменте выявлена огромная вулканическая постройка, заполняющая рифтовую долину и создающая осевое вулканическое поднятие с глубиной дна 2900 м и глубиной кровли фундамента 3500 м (аналог гор Джордан на Юго-Западном Индийском хребте); к югу от поднятия дно углубляется до 5300 м. Можно полагать, что в рельефе фундамента глубины днища рифтовой долины увеличиваются и к северу, и к югу от поднятия до 5500 м.

С менее интенсивным магматическим снабжением ХГ связано и малое количество вулканических центров (ВЦ). Поднятия в днище рифтовой долины и

Рис. 1. Изменение характеристик рифтовой долины САХ вдоль ее оси.

Условные обозначения: И - глубина днища рифтовой долины; Т - интенсивность осевой магнитной аномалии; J3C|} - величина эффективной намагниченности осевого блока; В - интенсивность мантийной аномалии Буге; 1г - ширина рифтовой долины; I<j - ширина днища рифтовой долины; h - высота бортов рифтовой долины: hi - западного, I12 - восточного. Все характеристики, кроме 1г и I<j, - гридированные значения параметров. 1г и I<j САХ сняты с карты [Purdy et al., 1990]. Под графиками подписаны номера сегментов и подсег-ментов, у оси САХ - арабскими цифрами (по [Sempere et al., 1990] с изменениями), у оси ХГ - римскими цифрами. Прямоугольники под графиками - вулканические центры.

приуроченные к ним минимумы МАБ дали основание для выделения у ХГ двух ВЦ, один из которых совпадает с осевым вулканическим поднятием (рис. 2, табл. 1). На основании факторного анализа значительного количества морфометрических, магнитометрических и гравиметрических характеристик у оси САХ выделено 11 ВЦ (рис. 1).

Свойственное большинству сегментов САХ уменьшение интенсивности МАБ в их центрах по сравнению с концами, у ХГ наблюдается только в двух сегментах, именно в тех, где выявлены ВЦ. Это означает, что только в этих двух сегментах вдоль оси существенно изменяется мощность коры: в центральных частях, а точнее под ВЦ, мощность коры увеличивается. Данное наблюдение подтверждено плот-

ностным моделированием по профилям, ориентированным вкрест рифтовой долины. Максимальная мощность коры, равная 7,5 км, приурочена к осевому вулканическому поднятию.

У обоих хребтов отмечаются изменения интенсивности осевой магнитной аномалии по простиранию центра спрединга (рис. 3). Сопоставление этих изменений, а также изменений эффективной намагниченности осевого блока с вариациями морфометрических параметров рифтовой долины и МАБ вдоль оси показало связь “магнитометрической сегментации” осевой зоны САХ с морфологической и вулкано-тектонической сегментацией [Глубинное строение..., 1998; Гуревич и др., 1999]: к вдольосе-вым депрессиям дна, т.е. участкам, находящимся в

О 50 100 150 200 250 300 350 км

Рис. 2. Изменение характеристик рифтовой долины юго-восточной части хребта Гаккеля вдоль ее оси. Условные обозначения на рис. 1. Разрывы в кривых 1г, 1^ и Ь приурочены к участкам отсутствия морфологического проявления рифтовой долины.

режиме преимущественного тектонического растяжения, приурочены максимумы (ДТ)а и ^ф; к вдо-льосевым поднятиям, являющимся вулканическими центрами, - минимумы магнитометрических характеристик (рис. 1). Причинами понижения интенсивности (ДТ)„ и над ВЦ могут быть: 1) уменьшение мощности магнитоактивного слоя в результате подъема изотермы Кюри; 2) появление в днище рифтовой долины обратнонамагниченных пород из-за скачков неовулканической зоны, которые происходят именно в районах ВЦ при увеличении интенсивности магматического снабжения [Глубинное строение..., 1998]; 3) уменьшение намагниченности пород вследствие их низкотемпературных гидротермальных изменений. Под депрессиями, где поставка расплава уменьшается, изотерма Кюри погружается и мощность магнитоактивного слоя увеличивается.

Здесь может создаться температурный режим в литосфере, благоприятный для серпентинизации пород верхней мантии. Серпентинизированные перидотиты могут вносить вклад в осевую магнитную аномалию.

Аналогичные закономерности наблюдаются у оси ХГ к северу от осевого вулканического поднятия (рис. 2). Но, в отличие от САХ, над ВЦ IV сегмента осевая магнитная аномалия является отрицательной. Частично этот феномен может быть связан с большим количеством обратнонамагниченных пород у оси (см. пункты 22, 23, 24 в табл. 1). Кроме того, у оси ХГ контрастность термического режима ВЦ и соседних участков больше. Поэтому отрицательная осевая магнитная аномалия частично может появится за счет суперпозиции минимумов от максимумов (ДТ)„ вокруг ВЦ.

Рис. 3. Аномальное магнитное поле, А - САХ, Б - ХГ. Сечение изодинам 100 нТл. Нулевая изодинама утолщена, положительные изодинамы - сплошные линии, отрицательные - пунктирные. Утолщенной линией показано положение осей центров спрединга. Цифры около осей - номера сегментов (в соответствии с рис. 1,2). На врезках - положение сопоставляемых районов.

Иная картина наблюдается во II и I сегментах хребта Гаккеля. Над осевым вулканическим поднятием закартирован максимум (ДТ)а. То, что максимум сохраняется и в ^ф, свидетельствует, что не рельеф является его причиной. Можно предположить, что природа максимумов магнитометрических параметров над этим ВЦ та же, что над ВЦ высокоскоростного Восточно-Тихоокеанского поднятия [Гуревич, Литвинов, 1995]: меньшая степень низкотемпературного окисления титано-магнетита в базальтах из-за большей монолитности коры и/или повышенная намагниченность пород, связанная с особенностями их аккреции. К югу от осевого вулканического поднятия, где дно рифтовой долины резко углубляется, а интенсивность МАБ увеличивается, положительная вдольосевая магнитная аномалия имеет очень низкую интенсивность. Очень холодный термический режим литосферы, которого можно ожидать в этой части оси ХГ, вероятно, препятствует серпентинизации перидотитов. Источни-

ком магнитной аномалии тут могут быть породы коры, мощность которой из-за очень низкого маг-мабюджета значительно понижена.

Следовательно, у оси низкоскоростного САХ существует отчетливо выраженная связь между интенсивностью осевой магнитной аномалии и вулканотектоническим режимом и судить о последнем можно по одним только вдольосевым вариациям магнитной аномалии. У оси супернизкоскоростного хребта Гаккеля при особенно холодном термическом режиме в литосфере, при котором снабжение осевого региона расплавом исключительно неравномерное, характер связи между аномальным магнитным полем и режимом становится иным. Чтобы определить вулкано-тектонический режим у оси супернизкоскоростного СОХ, требуется комплексный анализ магнитометрических, батиметрических и гравиметрических данных.

Таким образом, сопоставление основных характеристик осевых зон низкоскоростного САХ в полосе

КБГТ и юго-восточной части сверхнизкоскоростного хребта Гаккеля показало, что более холодный термический режим литосферы при сверхнизкоскоростном спрединге, по сравнению с низкоскоростным, связанный с уменьшением количества поставляемого расплава, приводит:

- к преобладанию режима тектонического растяжения и более редким проявлениям вулканических центров у оси хребта Гаккеля по сравнению с САХ;

- к более широкой и глубокой, чем у САХ, рифто-вой долине хребта Гаккеля, которую местами, из-за неравномерности магматического снабжения, могут заполнять вулканические постройки;

- к отличиям в стиле сегментации, заключающимся в отсутствии свойственных САХ смещений риф-товой долины хребта Гаккеля и ее днища у границ сегментов и в отклонении вдольосевого профиля глубин в большинстве сегментов хребта Гаккеля от профиля, типичного для САХ;

- к утонению коры и иным закономерностям вдо-льосевых вариаций ее мощности у хребта Гаккеля по сравнению с корой САХ.

В результате происходят изменения в характере геофизических полей. В большинстве сегментов хребта Гаккеля, в связи с незначительными изменениями мощности коры, отсутствуют типичные для САХ вариации мантийных аномалий Буге, в то время как в тех сегментах, где имеются вулканические центры, диапазон изменения МАБ, а следовательно и мощности коры, может быть значительно больше, чем у сегментов САХ. Связь между аномальным магнитным полем и вулканотектоническим режимом у хребта Гаккеля более сложная, чем у САХ. Интенсивность осевой магнитной аномалии и величина эффективной намагниченности осевого блока у хребта Гаккеля меньше, чем у САХ. При этом у ХГ, в отличии от САХ, и та, и другая магнитометрические характеристики могут иметь отрицательные значения. Причина этого -более широкий возрастной диапазон и большее количество обратнонамагниченных пород в источнике осевой магнитной аномалии, а также большая контрастность режимов у оси хребта Гаккеля.

Благодарность. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 98-05-65600, 97-05-64407).

Литература

Глубинное строение и эволюция литосферы Центральной Атлантики (Результаты исследований на Канаро-Багамском геотраверсе), Мащенков С. П., По-гребицкий Ю. Е. (ред.), 299 с., ВНИИОкеангеология, СПб, 1998.

Гуревич И. И., Литвинов Э. М., Магматический контроль за гидротермальным сульфидообразованием у оси Восточно-Тихоокеанского поднятия по геофизическим и геохимическим данным, Российский геофизический журнал, (5-6), 51-58, 1995.

Гуревич И. И., Абельская А. А., Шулятин О. Г., Астафу-рова Е. Г., Магнитометрический критерий оценки перспектив осевой зоны Срединно-Атлантического хребта на гидротермальное сульфидообразование, Российский геофизический журнал, (13-14), 72-79, 1999.

Гуревич И. И., Астафурова Е. Г., Даниэль Е. Д., Мащенков С. П., Паукку С. А., Особенности аккреции коры у оси “супермедленного” хребта Гаккеля (по геофизическим и морфологическим данным), Тезисы докладов XIII международной школы морской геологии “Геология морей и океанов”, Т. II, с. 240-241, Москва, 1999.

Bown J. W. and White R. S., Variation with spreading rate of oceanic crustal thickness and geochemistry, Earth Planet Sci. lett., 121, (3/4), 435-449, 1994.

Harper G. D., Tectonics of slow spreading mid-ocean ridges and consequences of variable depth to the brittle/ductile transition, Tectonics, 4, (4), 395-409, 1985.

Mevel C., Tamaki K. and the FUJI Scientific Party Imaging an ultra-slow spreading ridge: first results of the FUJI cruis on the SWIR (R/v Marion Dufresne, 7/10 - 3/11/97, Inter Ridge News, 7, (1), 29-32, 1998.

Purdy G. М., Sempere J. C., Schouten H. et al., Bathymetry of the Mid-Atlantic Ridge, 24-31°N: A Map Series, Marine Geophys. Res., 12, 247-252, 1990.

Sempere J. C., Purdy G. М., Schouten H., Segmentation of the Mid-Atlantic Ridge between 24°N and 30°N, Nature, 344, 427-431, 1990.