Охотская литосферная плита и модель эволюции системы «Окраинное море - островная дуга -глубоководный желоб»

Вестник ДВО РАН. 2006. № 1

Т.К.ЗЛОБИН

Охотская литосферная плита и модель эволюции системы «окраинное море - островная дуга -глубоководный желоб»

Рассмотрено тектоническое положение Охотской литосферной плиты, определены более детально границы и природа контакта с другими плитами. На основе изучения глубинного строения и тектоники приведена геодинамическая модель эволюции системы «окраинное море - островная дуга - глубоководный желоб». Согласно модели Охотская глубоководная впадина относится к новообразованной структуре и форми-ровавалась в результате подъема мантийного диапира, последующего раздвига и утонения коры, приведшего к скучиванию ее в островодужном блоке. Сделан вывод, что островная дуга заложилась на едином энсиа-лическом основании с корой континентального типа, а глубоководный желоб представляет собой структуру растяжения.

The Okhotsk lithospheric plate and a model of evolution of the system «marginal sea - island arc - deep-sea trench». T.K.ZLOBIN (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

Tectonic position of the Okhotsk lithospheric plate was considered. Its boundaries and nature of its contact with other plates were determined in more details. A geodynamic model of evolution of «marginal sea - island arc - deep-sea trench» system was given on the basis of study of deep structure and tectonics. According to the model the Okhotsk deep-sea basin is referred to a newly formed structure, formed as a result of elevation of the mantle diapir, subsequent spreading and thinning of the crust, resulted in its clustering in the island arc block. A conclusion is drawn that the island arc was formed on a single ensialic base with the crust of a continental type, and the deep-sea trench is an extension structure.

Важнейшими глубинными структурами Охотоморья являются Охотская литосферная плита и структуры меньшего ранга. Для исследования их строения необходимо рассмотреть прежде всего границы Охотской литосферной плиты, изученные нами на основе использования глубинных сейсмических исследований ГСЗ, МОВЗ и МОВ ОГТ, сейсмичности и данных о тектонике региона [2, 4-6]. Основными структурными элементами меньшего ранга в зоне перехода от Евразиатского континента к Тихому океану являются окраинное море (Охотское), островная дуга (Курило-Камчатская) и сопряженный с ней Курило-Камчатский глубоководный желоб. В связи с большим значением их для геодинамики и геотектоники в работе дана модель эволюции системы «окраинное море - островная дуга - глубоководный желоб».

Охотская литосферная плита

Рассматривая в тектоническом отношении Охотоморье, можно сказать, что основные особенности региона связываются с Охотской литосферной плитой [1, 2, 6, 7, 10, 15].

ЗЛОБИН Тимофей Константинович - доктор геолого-минералогических наук (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск).

С востока она граничит с крупнейшей Тихоокеанской плитой, с севера - с Североамериканской, с запада - с Евразиатской и на юго-западе - с Китайской (или, как считают некоторые авторы, Амурской). Таким образом, Охотская плита как бы зажата между крупнейшими литосферными плитами планеты (Тихоокеанской и Евразиатской) и испытывает давление также довольно значительных по размеру плит.

На основе анализа карты эпицентров землетрясений Дальнего Востока можно довольно уверенно выделить в пределах рассматриваемой площади три региональных пояса повышенной сейсмичности: 1) Курило-Камчатский на востоке; 2) Сахалинский (Хоккайдо-Сахалинский) на западе; 3) Алеутско-Магаданский на севере. Выделенным поясам сейсмичности отвечают соответствующие границы плиты [2, 7].

Природа контакта Охотской литосферной плиты с соседними плитами различна, и, соответственно, различны характер ее границ, а также надежность их определения. Наиболее ярко и четко проявляются восточная граница Охотской плиты и взаимодействие ее с Тихоокеанской. Последняя, как считается, испытывает ярко выраженную субдукцию и погружается здесь в мантию до глубин 700-800 км. Область субдукции четко выражена в сейсмичности в виде падающей на запад сейсмофокальной зоны шириной около 90 км. Северная и западная границы Охотской литосферной плиты, ее сочленение с Североамериканской плитой менее четко выражены, и точное положение границ плиты на сегодняшний день представляет собой не решенный окончательно вопрос, хотя работы в этом направлении ведутся. Определим границы плиты и отметим их особенности.

Западная граница Охотской плиты отделяет ее от Евразиатской и Китайской (Амурской) плит. Она проходит по Сахалинскому поясу сейсмичности. Здесь наблюдается II вид взаимодействия плит, т.е. конвергенция, и коллизия в данном случае аналогична типу континент-континент. Положение западной границы плиты сложное, оно было рассмотрено нами в [7]. Важно отметить, что западная граница Охотской литосферной плиты, по нашему мнению, имеет вид ломаной линии. На широтах, соответствующих южному Сахалину, она проходит к западу от него, а на широтах северного Сахалина - восточнее, пересекая его по диагонали с запада на восток в срединной части. Относительное движение на запад северной части Охотской плиты, а также выдвижение на восток блока литосферы Амурской плиты и привели к тем очертаниям, которые мы наблюдаем в настоящее время.

Анализ положения западной границы плиты и реконструкция палеограницы позволяют заключить, что возможное смещение западной границы между Охотской и Амурской плитами на севере Сахалина связано с выдвижением на восток выступа Амурской платформы, к которой и относился северный Сахалин. Возможно также, что смещение на запад блока литосферы, содержащего южный Сахалин, явилось результатом движения блоков верхней мантии и литосферы на запад от осевой линии задугового спрединга, имевшего место в Южно-Охотской глубоководной впадине. Сложная форма контакта плит в области стыка Амурской, Охотской и Евразиатской плит в районе Шантарских островов, видимо, обусловлена вращением против часовой стрелки Охотской литосферной плиты вокруг центра вращения, расположенного на северном Сахалине (в районе Нефтегорска).

Северная граница плиты простирается от зоны сочленения Алеутской и Курило-Камчатской островных систем на востоке до Охотского массива на западе. Она проходит практически по структурам Охотско-Чукотского пояса, обрамляющего Охотское море с севера. Эта граница наиболее размыта и наименее однозначна из всех трех, прослеживается по относительной концентрации эпицентров землетрясений. Она ограничивает плиту с севера по Алеутско-Магаданскому поясу сейсмичности. Это IV тип сочленения плит, называемый plate-boundary zones, т.е. деформация плит происходит в широкой зоне. Рассматривая этот пояс сейсмичности, следует сказать, что он представляет собой довольно широкую «размытую» полосу неярко выраженной концентрации землетрясений шириной до 400 км.

Положение этой границы в настоящее время однозначно не определено. На основе дополнительного сейсмического материала, полученного станциями «Айрис-2», и анализа сейсмологических данных за последние годы мы пришли к выводу, что наиболее адекватно имеющемуся сейсмическому материалу проведение границы Охотской плиты на севере следующим образом (рис. 1): от Шантарских островов (места стыка ее с западной границей) вдоль северного побережья Охотского моря через мысы Кони и Пьягина до о-ва Кара-гинский и далее к востоку от Камчатки.

В дальнейшем имеет смысл провести в северной и особенно в северо-восточной частях плиты более детальный анализ сейсмичности. Так, в частности, интерес представляет линейно вытянутая цепочка эпицентров сильных землетрясений, пересекающая зал. Шелихова с

Рис. 1. Границы Охотской литосферной плиты и ее положение среди других плит. 1 - границы литосферных плит; 2 - положение границ плит, выраженных в зонах субдукции и глубоководных желобах; 3 - ось зоны задуго-вого спрединга; стрелками показано направление движения блоков земной коры и верхней мантии при спредин-ге; 4 - направление движения плит и вращения их блоков. СА-ЕА, А-О - центры вращения Североамериканской (СА) и Евразиатской (ЕА), Амурской (А) и Охотской (О) плит

юго-востока на северо-запад от западной Камчатки (севернее мыса Омгон) до побережья материка южнее Магадана. Как нам представляется, она может также свидетельствовать о глубинном литосферном разломе и смещениях по нему блоков литосферы [7].

В целом можно заключить следующее. Охотская литосферная плита представляет собой структуру, близкую по форме к равностороннему треугольнику с основанием на севере и противолежащей вершиной на юге. Основание этого треугольника, т.е. протяженность границы плиты на севере, составляет около 1 000 км, а стороны его, т.е. границы плиты на западе и востоке, - соответственно около 2 000 и 2 200 км. При этом восточная зона контакта плит, проходящая вдоль Курило-Камчатской островной системы, выпуклая к востоку и очень ярко проявляется в концентрации эпицентров землетрясений. Общая площадь Охотской литосферной плиты около 1 млн км2. Восточная граница Охотской плиты с Тихоокеанской представляет деформацию II типа, т.е. конвергенцию типа океан-континент, сопровождаемую субдукцией. Западная граница плиты - с Евразиатской и Китайской (Амурской) плитами - также представляет собой конвергенцию, однако коллизия в данном случае подобна типу континент-континет. Северная граница - взаимодействие Охотской плиты с Североамериканской - представляет собой сочленение IV типа.

Детальное рассмотрение положения эпицентров землетрясений 7-го класса и выше на западной границе плиты в Сахалинском поясе сейсмичности показало, что они почти повсеместно приурочены к глубинным литосферным разломам. Ими являются: Западно-Сахалинский, Центрально-Сахалинский, Хоккайдо-Сахалинский и Катанлийский. В большей степени западная граница плиты отвечает сейсмоактивному Западно-Сахалинскому глубинному разлому.

Анализ положения всех трех границ и геологических структур позволяет заключить следующее. По всем трем границам Охотская литосферная плита окружена: а) сейсмофо-кальными зонами (в том числе на севере - палеозоной [12]); б) островными дугами (Курило-Камчатской на востоке, Сахалино-Японской на западе и палеодугой на севере); о возможном существовании вдоль северного побережья Охотского моря от бассейна р. Уда через полуострова Кони, Пьягина и Тайгонос до Мургальского антиклинория триас-юрс-кой дуги писали еще Ю.А.Косыгин с соавторами [9]; в) вулканическими поясами (КурилоКамчатским, Сахалино-Хоккайдским и Охотско-Чукотским); г) сейсмическими поясами землетрясений (Курило-Камчатским, Сахалинским и Алеутско-Магаданским).

Структурные элементы литосферной плиты и ее сочленения

Литосферные плиты являются основными структурными элементами верхней оболочки Земли. Они подразделяют верхнюю твердую оболочку (литосферу) в латеральном направлении по геодинамическому принципу и в геофизическом смысле. В географическом смысле основными элементами являются, как известно, континенты и океаны. На границе их, в зоне сочленения этих крупнейших структурных элементов, находятся структуры меньшего ранга. В зоне перехода крупнейшего Евразиатского континента к самому большому океану - Тихому - можно выделить такие структуры меньшего ранга, как окраинные моря, островные и глубоководные желоба.

Важным с точки зрения геодинамики и геотектоники является вопрос развития и эволюции этих структур. В течение десятков лет нами проводились глубинные сейсмические исследования в пределах Курильской островной дуги и окраинного Охотского моря [1-7].

Для получения представлений об эволюции Охотоморья нами предложена возможная модель эволюции системы «окраинное море - островная дуга - глубоководный желоб», основанная на данных, полученных нами сейсмическими методами ГСЗ, МОВЗ, МОВ ОГТ, о глубинном строении и геодинамике литосферы Курильской островной дуги и прилегающих акваторий Охотского моря, а также напряженно-деформированном состоянии среды,

плотностных неоднородностях тектоносферы региона и анализе существующих представлений.

Эволюция системы и, соответственно, геодинамическая модель определяются геотектоническим положением этой зоны (активная окраина континента), спецификой структурных элементов системы (включая сейсмофокальную зону), процессами, происходящими здесь в недрах, и их взаимодействием. Основными факторами и процессами, с которыми связано развитие системы, были, на наш взгляд, следующие: существенные различия между граничащими здесь крупнейшими морфоструктурами Земли (евразиатским континентом и Тихим океаном), субдукция Тихоокеанической литосферной плиты, задуговый спрединг, субгори-зонтальные перемещения слоев и блоков верхней мантии.

Глобальные различия строения океанического и континентального блоков (плотностные, скоростные, реологические, температурные, структурные), связанные с крупнейшими планетарными неоднородностями в геосфере, привели к образованию здесь тектонически ослабленной свехглубинной разломной зоны. Ее можно рассматривать как предпосылку, определившую развитие системы. Главную роль в дальнейшей эволюции сыграли процесс разрастания океана, движение на запад Тихоокеанской литосферной плиты и ее суб-дукция. На последующем этапе развития оказал влияние задуговый спрединг. Он сопровождался субгоризонтальным послойным движением слоев и блоков [1].

Развитие системы можно представить следующим образом (рис. 2).

На первом этапе эволюции (палеозой-мезозой) зона перехода океан-континент характеризуется различием мощности земной коры и наличием крупных неоднородностей в мантии. Она представляет собой ослабленную зону, и здесь формируется глубинный разлом. В позднемеловое время в Охотском море на ряде участков началась магматическая деятельность. Процесс сопровождался дифференциацией магмы, подъемом ее и выплавлением расплавов различного состава в зависимости от глубины. После интенсивной денудации, следующей за магматизмом, началось погружение области. В конце мелового-начале палеогенового периода, согласно К.Ф.Сергееву [14], Б.Г.Лутцу [11] и др., начинает формироваться Курило-Камчатский желоб, а также сейсмофокальная зона.

На втором этапе в конце кайнозойского (эоценового) времени в результате плотност-ной дифференциации вещества и термальной аномалии в верхней мантии образовался нагретый более легкий материал (мантийный диапир), который, согласно Д.Каригу [8] и др.,

Рис. 2. Геодинамическая модель эволюции системы «окраинное море - островная дуга - глубоководный желоб». 1—У - этапы. а - водный слой; б - земная кора; в - верхняя мантия; г - мантийный диапир. 1 - глубоководный желоб, 2 - островная дуга, 3 - окраинное море (глубоководная котловина), 4 - тыловой бассейн. Двойными стрелками показано направление движения структур

стал подниматься по ослабленной зоне к подошве литосферы.

В дальнейшем за счет действия гидростатического давления литосферы происходит подъем мантийного диапира и внедрение его во все более высокие слои литосферы. Это, согласно представлениям многих геологов, приводит к перемещению отдельных блоков, раскалыванию и растяжению коры, связанным с излиянием базальтов (т.е. к проявлению островодужного вулканизма), заложению островной дуги и, согласно Б.Г.Лутцу [11], обособлению краевого моря. Растяжению коры и ее раскалыванию, как и преобразованию рифтов, способствовало также, как считает В.В.Белоусов, растекание разуплотненного материала над корой.

Подъем диапира приводит к длительному сводовому поднятию, заложению разломов, растяжению земной коры и формированию впадин [13]. Последующая активность вышеназванного процесса ведет к дальнейшему раздвигу блоков, задуговому спредингу и образованию рифтовой структуры. Для последней, как известно, характерны пониженные мощности земной коры, линзы разуплотненной мантии, повышенные значения теплового потока. Именно эти особенности мы наблюдаем под Курильской глубоководной котловиной Охотского моря [6, 7]. В.Е.Хаин [15] считает, что большая часть центральной площади Охотского моря скорее всего является областью энергичной рифтогенной деструкции коры. Б.Г.Лутц [11] также относит глубоководную котловину в тылу островной дуги к рифтовой зоне.

На третьем и четвертом этапах происходило разрастание дна окраинного моря, утонение коры, перемещение на восток в сторону океана островной дуги, скучивание коры под дугой [5]. Последнее могло произойти в результате двухстороннего сжатия островной дуги, поскольку с востока имела место субдукция океанической плиты и с запада - встречный задуговый спрединг в глубоководной котловине. Эндогенный режим здесь в то время проявлялся во внедрении в кору и вытекании на поверхность из мантии (находящейся в сильном термическом возбуждении) основных и ультраосновных расплавов.

На пятом этапе происходили дальнейшее перемещение на восток в сторону океана островодужного блока и отдельных слоев, наклон сейсмофокальной зоны, продолжение скучивания коры под дугой в результате встречного сжатия и формирование «корня» земной коры [5]. Курило-Камчатский глубоководный желоб, согласно нашей схеме, образовался при расколе и растяжении верхней оболочки литосферы, последующем смещении блоков земной коры в сторону океана, раздвиге бассейна окраинного моря (задуговом спре-динге) и сопровождался заложением системы «окраинное море - островная дуга - глубоководный желоб».

На основе вышесказанного можно сделать следующие выводы.

1. Определены границы основного структурного элемента региона - Охотской лито-сферной плиты. Показано, что они имеют разную природу и все три выделенные границы окружены тремя региональными поясами повышенной сейсмичности: Курило-Камчатским на востоке, Сахалинским (Хоккайдо-Сахалинским) на западе, Алеутско-Магаданским на севере.

2. Рассмотрены структурные элементы Охотской литосферной плиты и ее сочленения меньшего ранга: окраинное Охотское море, Курильская островная дуга и Курило-Камчатский глубоководный желоб.

3. Предложена модель эволюции системы «окраинное море - островная дуга - глубоководный желоб». Исходя из полученных сейсмических данных и анализа существующих представлений, Охотская глубоководная впадина относится к новообразованной структуре, сформировавшейся в результате подъема мантийного диапира, последующего раздвига и утонения коры, приведшего к скучиванию ее в островодужном блоке. Островная дуга зало-

жилась на едином энеиаличееком основании с корой континентального типа. Глубоководный желоб, согласно модели, представляет собой структуру растяжения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Злобин Т.К., Бобков А.В. Встречные сейсмофокальные зоны Охотской литосферной плиты // ДАН. 2001. Т. 381, № 5. С. 677-680.

2. Злобин Т.К. Западная граница Охотской литосферной плиты: тез. докл. // 7-я междунар. конф. по тектонике плит им. Л.П.Зоненшайна «Общие вопросы геотектоники», 30-31 октября 2001. М., 2001. С. 373-374.

3. Злобин Т.К. Природа наклона сейсмофокальных зон Беньофа и вероятный механизм их образования // Докл. АН СССР. 1986. Т. 289, № 3. С. 689-692.

4. Злобин Т.К., Бобков А.О. Современная сейсмичность и разломная тектоника юга Сахалина. Южно-Сахалинск: Изд-во СахГУ, 2003. 124 с.

5. Злобин Т.К. Строение земной коры и верхней мантии Курильской островной дуги (по сейсмическим данным). Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1987. 150 с.

6. Злобин Т.К., Злобина Л.М. Строение земной коры Курильской островной системы // Тихоокеан. геология. 1991. № 6. С. 24-35.

7. Злобин Т.К. Строение земной коры Охотского моря и ее нефтегазоносность в северо-восточной (прикам-чатской) части (по сейсмическим данным). Южно-Сахалинск: Изд-во СахГУ, 2002. 97 с.

8. Кариг Д. Происхождение и развитие окраинных бассейнов западной части Тихого океана // Новая глобальная тектоника. М.: Мир, 1974. С. 266-288.

9. Косыгин Ю.А., Парфенов Л.М., Врублевский А.А., Гришин Р.И., Карсаков Л.П., В.А.Леглер, Натальин -Б.А. Главные системы разломов Дальнего Востока и их природа // Разломы земной коры. М.: Наука, 1977. С. 54-65.

10. Курильские острова (природа, геология, землетрясения, вулканы, история, экономика) / под ред. Т.К.Зло-бина и М.С.Высокова. Южно-Сахалинск: Сах. кн. изд-во, 2004. 227 с.

11. Лутц Б.Г. Эволюция эндогенных режимов в магматической истории Земли // Строение и эволюция текто-носферы. М.: ИФЗ АН СССР, 1987. С. 10-45.

12. Парфенов Л.М. Континентальные окраины и островные дуги мезозоид северо-востока Азии. Новосибирск: Наука, 1984. 192 с.

13. Родников А.Г., Хаин В.Е. Проблема направленности развития земной коры в северо-западной части Тихоокеанского подвижного пояса (в свете данных глубинного строения) // Геотектоника. 1971. № 3. С. 16-31.

14. Сергеев К.Ф. Тектоника Курильской островной системы. М.: Наука, 1976. 239 с.

15. Хаин В.Е. Региональная геотектоника. Океаны. Синтез. М.: Недра, 1985. 292 с.