О природе мелкофокусной сейсмичности в переходных зонах Колумбийского типа

УДК 551. 24

© В.В. Гордиенко, И.В. Гордиенко

Институт геофизики НАН Украины, Киев

О ПРИРОДЕ МЕЛКОФОКУСНОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ В ПЕРЕХОДНЫХ ЗОНАХ КОЛУМБИЙСКОГО ТИПА

Рассмотрено распределение землетрясений с глубинами очагов до 3040 км в переходной зоне Колумбийского типа. Установлена их связь с глубинными процессами (в соответствии с адвекционно-полиморфной гипотезой) в пределах срединноокеанического хребта и в регионах современной активизации геосинклиналей киммерийского возраста.

Введение. Представление о переходной зоне между континентами и океанами Колумбийского типа (от названия канадской провинции Британская Колумбия) введено В.В. Белоусовым [1] для обозначения специфической по глубинным процессам части активного Тихоокеанского кольца. Основанием для этого послужили практическое отсутствие современного глубоководного желоба (часто - при наличии засыпанного осадками старого) и глубокофокусной сейсмичности, менее интенсивная вулканическая активность, чем на соседних участках перехода от Тихого океана к Центральной Америке и северной части Южной Америки. По таким признакам к североамериканскому участку переходной зоны Колумбийского типа от входа в Калифорнийский залив до Аляски (примерно 25-60° с.ш.) можно добавить часть южноамериканской переходной зоны южнее приближения к берегу Чилийского поднятия, т.е. примерно от 47° ю.ш. (рис. 1). Возможно, необходимо рассмотреть с этой точки зрения и ситуацию в районе плато Кэмпбелл на юго-западной окраине океана, но геологическая изученность этого региона пока не позволяет ставить такую задачу. Общая длина рассматриваемых районов пояса сейсмичности составляют 15-20 % протяженности всего активного Тихоокеанского кольца.

Глубины гипоцентров землетрясений в рассматриваемой зоне, как правило, не превышают мощности коры в ее континентальной части, лишь незначительное количество очагов приурочено к интервалу глубин 33-70 км, единичные события в некоторых районах случаются и на глубинах до 100120 км (под Северной Америкой), но их нельзя считать характерными для региона в целом. В пределах северного фрагмента отсутствие глубоких и среднеглубинных землетрясений можно связать с включением в состав зоны продолжения на север Восточнотихоокеанского поднятия (ВТП), для которого, как и других срединноокеанических хребтов (СОХ), характерна мелкофокусная сейсмичность. Однако исчерпывающим такое объяснение назвать трудно, так как те же глубины очагов распространены и вне предполагаемого продолжения ВТП, а в южном фрагменте зоны СОХ явно отсутствует. Поэтому кроме рассмотрения природы сейсмичности срединноокеанических хребтов хотя бы для части событий зоны необходимо найти другое объяснение ее причин. Поиск рационально вести уже опробован-

ным методом [5]: построить модели глубинных процессов и соответствующие им тепловые по представлениям адвекционно-полиморфной гипотезы, рассмотреть их последствия, которые могут обусловить сейсмичность, и сравнить их с экспериментально установленными данными.

Авторы считают вполне вероятным, что одной из причин мелкофокусной сейсмичности являются вулканические процессы, проанализированные в [14 и др.]. Однако в части зоны вулканизм отсутствует, большое количество землетрясений происходит явно глубже коровых магматических очагов, питающих вулканы, поэтому необходимо остановиться на других сторонах глубинных процессов, способных генерировать необходимые напряжения.

Распределение по глубине гипоцентров землетрясений в зоне Колумбийского типа. На рис. 1 представлены разрезы вдоль нескольких продоль-

Рис. 1. Сейсмичность переходной зоны Колумбийского типа [7, 15, 16 и др.]. На врезке - южный фрагмент зоны. 1,2 - эпицентры землетрясений с глубиной очагов: 1 - 0-33 км, 2 - 33-70 км, 3 - профили, вдоль которых построены разрезы сейсмогенных зон

ных и поперечных профилей через рассматриваемую зону, на которые вынесены гипоцентры землетрясений. Во всех случаях нулевые пикеты -на западных и южных концах профилей. На профилях 5-8 показаны гипоцентры, собранные на пространстве от 470 ю.ш. до южной оконечности материка (8), 40-45°с.ш. (5), 45-500 с.ш. (6) и 50-520 с.ш. (7). Концентрация гипоцентров здесь на глубинах 10, 15 и 33 км связана с неточностью определения глубин, речь идет просто о приуроченности очагов к земной коре (в том числе и сравнительно тонкой на море). На других профилях (где собраны данные о разных по энергетическому классу событиях за разные периоды) нельзя выделить каких-либо единых для всей зоны или закономерно изменяющихся в ее пределах глубин расположения гипоцентров. Предпринимаемые в этой ситуации попытки многих авторов разделить землетрясения (например, в районе профиля 6 [15]) на связанные с погружающейся океанической плитой и относительно неподвижной материковой выглядят неубедительными. Следует просто констатировать, что гипоцентры приурочены к коре, часто ее средней и нижней частям. Несколько более глубокие гипоцентры на профилях 5 и 6 относятся к узкой зоне поздних альпид, занимающих незначительную часть территории северного фрагмента зоны (если отличия глубин вообще зафиксированы достоверно).

На рис. 2 видно, что не обнаруживается значительных различий между распределением глубин очагов под СОХ и под континентальной частью

зоны. Последняя информация относится почти исключительно к Северной Америке: привлеченное количество землетрясений для южного фрагмента зоны слишком невелико

10-

0

Рис. 2. Гистограммы распределений глубин землетря-

-| сений в пределах СОХ (1) и активизированных пре-

—г----1—=4_ имущественно киммерийских геосинклиналей Север-

20 40 60 КМ ной Америки

Глубинный процесс образования СОХ и сейсмичность. Геологическая история срединно-океанических хребтов изучена слабо, здесь обнаружены над фундаментом в основном осадки плиоцена-среднего миоцена, реже - олигоцена-эоцена и вскрыты бурением молодые базальты (с абсолютным возрастом порядка 15±10 млн. лет) [8]. В базальтах нет следов контаминации магмы коровым материалом (исключение - район у Калифорнийского залива), т.е. хребты формируются на океанической коре в самое последнее (геологически) время. Такой вывод подтверждается анализом скоростной структуры и мощности коры Восточнотихоокеанского поднятия и прилегающих котловин. Поднятие “...образовалось в большей своей части на коре океанического типа. Возможна частичная переработка существовавшей здесь ранее земной коры, о чем могут, в частности, свидетельствовать утонение и более высокие скорости третьего слоя.” [10, с. 92].

Вероятно, регион с океанической корой существовал достаточно долго, температура (Т) вблизи фронта полиморфного преобразования у подошвы верхней мантии повысилась (релаксировала предварительно возникшая отрицательная аномалия Т, возникшая при океанизации [5]), это привело к некоторому поднятию поверхности. Могла возникнуть и зона частичного плавления выше фронта, из нее возможен вынос вещества под кору и соответствующее поднятие. В Атлантическом океане можно предположить [8], что на месте современного СОХ прошел наиболее древний из изученных процессов океанизации, завершившийся примерно на границе палеозоя и мезозоя. Последовавшее затем сглаживание температурных аномалий в тектоносфере рассмотрено на фоне повышенной теплогенера-ции (по сравнению с нормальной континентальной мантией) пород. Это обусловлено погружением в мантию корового материала при океанизации.

Расчет тепловой модели в соответствии с адвекционно-полиморфной гипотезой подтвердил высказанное предположение о возникновении к настоящему времени условий для активного процесса [5]: на глубинах более 200 км Т достигает солидуса или отличается от него лишь на первые десятки градусов. Предполагалось, что частично расплавленное вещество из интервала глубин примерно 200-350 км может быть вынесено под тонкую кору на глубины примерно 50-100 км со средней аномальной температурой около 6800С. Смещение поверхности под действием изменения Т в верхнем и нижнем этажах тепловых аномалий разных знаков составят 3,6 км и 1,8 км соответственно. Погружение фронта полиморфного преобразования после предшествующей активизации ведет к поднятию поверхности примерно на 1,5 км. Последнее возникло значительно раньше образования СОХ современного вида, существовало на его месте уже в течение многих десятков млн. лет. Полное поднятие СОХ составит около 3 км. В течение последних 15 млн. лет (после начала магматизма) остывание верхней астеносферы привело к расчетному опусканию СОХ примерно на 1 км, что примерно соответствует геологическим фактам (в частности, для северной половины Атлантического океана [8, 9], где это явление изучено наиболее достоверно). Если исходная глубина дна на СОХ (после завершения океанизации) достигала 5,5 км, то современная должна составлять 3,5-2,5 км, что соответствует данным батиметрии на плитах Хуан-де-Фука и Каскадия.

В центральной части хребта, где во многих случаях магматизм продолжается до настоящего времени, модель включает сравнительно узкую зону (по сейсмическим данным - шириной не более 200 км), в пределах которой частично расплавленное вещество астеносферы вынесено в тонкую кору. Именно в ее пределах может наблюдаться максимальная и разнонаправленная (возможно, с преобладанием в настоящий момент опускания) подвижность блоков коры и верхних горизонтов мантии, предельно велики и изменчивы термоупругие напряжения. Здесь следует ожидать сейсмичности в пределах слоя, ограниченного снизу кровлей астеносферы. По расчетным данным [5 и др.] подошва слоя - примерно на 30 км. В рассматриваемом случае предельно узкого СОХ (первые сотни километров) без пологих склонов к рассматриваемому фрагменту хребта может принадлежать

вся полоса от западного края хр. Хуан-де-Фука до континентального подножия.

Основанный на таких представлениях результат теплового моделирования подтвержден данными геоэлектрики [3]. Согласно им суммарная продольная электропроводность астеносферы под Хуан-де-Фука составляет 4500 См, по тепловой модели 4000 См (среднее содержание расплава - около 5%). На рис. 3 показано, что тепловая модель СОХ согласуется и с данными геотермометров.

Рис. 3. Тепловая модель узкого СОХ (гавайского типа).

(1) по [5]. 2 - солидус мантийных пород, 3, 4 - данные геологических термометров [11]: 3 - по вынесенным лавами ксенолитам, 4 - по составу гавайитов

Таким образом, ограниченная по глубине сейсмичность фрагментов СОХ, представленных в переходной зоне Колумбийского типа, может быть объяснена глубинным процессом их формирования в соответствии с представлениями адвекционно-полиморфной гипотезы.

Современная активизация киммерийских геосинклиналей Америки и сейсмичность. Геологические данные об истории развития сухопутной части переходной зоны [1, 2, 4, 12, 13 и др.] указывают на развитие в ее пределах киммерийских (южный фрагмент) и киммерийских и альпийских (северный фрагмент) геосинклиналей. Сведений о возрастах складчатостей и этапах развития каждой из них недостаточно для полноценного моделирования глубинных процессов. Некоторое представление о диапазоне времен завершения развития геосинклиналей может дать приводимая на рис. 4 гистограмма, характеризующая распределение возрастов гранитных батолитов в прибрежной области северного фрагмента зоны (примерно между 30 и 50° с.ш.) [13].

Близкие к невадийским и ларамийским возрасты батолитов отмечены также в антарктическом продолжении Анд (“Атнаркандах”) [12].

Складчатость происходит обычно через первые десятки млн. лет после внедрения гранитоидов. В узкой прибрежной и островной зоне альпид (занимающей 5-10% территории северного фрагмента зоны) она идет до сих пор [12]. Полоса батолитов характеризует лишь относительно небольшую часть складчатого пояса Кордильер Северной Америки, приведенные данные не позволяют судить об относительной распространенности геосинклиналей разного возраста, но и по ним очевиден широкий диапазон возможных возрастов. В соответствии с имеющимися сведе- ^ ниями были рассмотрены глубинные процес-

Рис. 4. Гистограмма распределения возрастов гранитных — | '--1

батолитов Кордильер Северной Америки 0 40 80 120 млн. л

Рис. 5. Тепловые модели верхней тектоносферы невадид (1), ларамид (2), поздних альпид (3). 4 -солидус пород мантии

сы в тектоносферах невадид, ларамид и поздних альпид. Результаты расчета тепловых моделей приведены на рис. 5.

Тепловые модели геосинклиналей построены без учета современной активизации и индивидуальных особенностей (прежде всего - ширины и влияния процессов в соседних регионах), т.е. не могут считаться характеризующими конкретный район зоны. Для решения поставленной задачи достаточно констатации того, что в недрах зоны возможно существование остаточной астеносферы мощностью не менее первых десятков километров с глубиной кровли 70±20 км.

Достоверность тепловой модели можно проверить ее сопоставлением с геоэлектрической вдоль траверса Линкольн [3]. В его сухопутной (геосин-клинальной, в значительной мере - альпийской) части проводник располагается на глубинах 50-100 км, его суммарная продольная проводимость -2000 См, по тепловой модели района (учитывающей современную активизацию) глубины кровли и подошвы зоны частичного плавления составляют 70-110 км, суммарная продольная проводимость - 1500-2000 См (среднее содержание расплава - около 2%).

При активизации из астеносферы в кору поступают мантийные выплавки, в ее средней части формируется область частичного плавления пород амфиболитовой фации метаморфизма, в нижней - может короткое время существовать зона частичного плавления пород гранулитовой фации. Верхняя зона может обусловить магматизм относительно кислого состава, для обоих возможен подъем флюидов над зонами. Это - обычные последствия рассматриваемого типа эндогенного режима. Однако, встречаются и своеобразные варианты современной активизации, связанные с нестандартной минералогией основных пород коры [5]. Речь идет об их значительной эклогитизации на предыдущих этапах развития геосинклиналей. Прогрев и пропитка флюидами при активизации ведет к деэклогитизации и быстрому орогенезу. Одним из примеров такого процесса можно считать развитие Горного Крыма за последние 5 млн. лет. Здесь в коре фиксируется значительный по мощности высокоскоростной слой (возможно, содержащий эклогиты), поднятие достигает 1100 м, сейсмичность представлена

событиями с глубинами гипоцентров до 40-60 км (рис. 6). Расчет показывает, что все эти явления могут быть связаны с деэклогитизацией.

Рис. 6. Распределение гипоцентров землетрясений в тектонос-фере Горного Крыма. Пикет “0” - в районе максимального поднятия

500 ЮОО 1500°С

п ---------------------1-------------------1----

За период наблюдений возникают напряжения (преимущественно связанные с подъемом блока при уменьшении плотности при деэклогитиза-ции и в меньшей мере - с изменениями температуры), достаточные для объяснения произошедших землетрясений.

Поднятия Кордильер и Анд в последние миллионы лет нельзя объяснить возникновением температурных аномалий разного знака при современной активизации территорий киммерийских геосинклиналей. Адвек-ционный обмен веществом между корой и астеносферой не создаст заметного теплового увеличения мощности слоя. Близость плотности базальтовой магмы на глубине кровли астеносферы к плотности основных пород коры не позволяет рассчитывать на подъем поверхности в связи с “безвозвратным” выносом мантийного материала в кору. Этот процесс может только заметно увеличить мощность коры в районах активного молодого вулканизма.

В то же время по [12] амплитуда поднятий в южном фрагменте зоны (“Сур-Гранде”) достигла 2-3 км в антропогене, поднятия в северном фрагменте вполне сопоставимы.

Рассмотрим возможности деэклогитизации в коре изучаемой зоны. Из-за довольно ограниченного количества данных ГСЗ [2, 5, 6, 12, 13 и др.] к анализу привлечены сведения о скоростных моделях по всем изученным участкам Кордильер и Анд. В южном фрагменте изучаемой зоны информация отсутствует. Видно (рис. 7), что в коре зоны содержится довольно мощный “базальтовый” слой пород со скоростями продольных сейсмических волн от 6,8 до 7,6 км/с.

Резкие изменения мощности земной коры в переходной зоне (сокращение ее толщины с приближением к океану) приводят к большим видимым различиям в положении и толщине “базальтового” слоя в зависимости от места ГСЗ. Приведенные на рис. 7 значения скоростей несколько занижены по сравнению с величинами Ур для тех же пород при фоновой температуре, характерной для недр докем-

Рис. 7. Значения скорости продольных сейсмических волн в “базальтовом” слое прибрежных Кордильер и Анд

брийских платформ [5], в интервалах глубин 25-30 км и более примерно 55 км скорости понижены и из-за частичного плавления пород. Если учесть эти факты и сравнить скорости в переходной зоне с типичными для платформенной коры на соответствующих глубинах, получим положительную аномалию, составляющую в среднем 0,5±0,2 км/с (рис. 8). Эту значительную величину невозможно объяснить только избыточной базификацией коры, характерной для многих районов переходных зон всех типов [5], особенно - на глубинах более 30 км, т.е. в местах со сравнительно толстой корой, к которым и приурочены основные поднятия.

Рис. 8. Сравнение распределения скорости продольных сейсмических волн в коре нормального состава при платформенных температурах (1) с данными по Кордильерам и Андам. 2, 3 - экспериментальные значения, исправленные с учетом высоких Т и частичного плавления: 2 -в отдельных пунктах, 3 - осредненная зависимость от глубины.

Необходимо предположить, что часть основных пород все еще находится в эклогитовой фации метаморфизма. Изначально в “базальтовом” слое коры могло содержаться до 70% эклогитов. Это, вероятно, предельное количество, позволяющее блоку пород сохраниться в составе коры, не погрузиться в мантию. Мощность слоя составляет 21 ±6 км (в осреднение включены и данные по “базальтовому” слою в сравнительно тонкой коре прибрежных зон, для которых не характерно поднятие, в поднимающихся блоках мощность слоя несколько больше). Превращение такого количества пород с плотностью 3,4 г/см3 в породы с плотностью 2,9 г/см3 может обеспечить поднятие в среднем на 2,5 км. Неравномерность предварительной эклогитизации и современной деэклогитизации блоков коры с “базальтовым” слоем разной мощности обеспечит значительную изменчивость амплитуд поднятий и, соответственно, условия для возникновения относительных вертикальных и горизонтальных перемещений блоков - и землетрясений. Землетрясения связаны с довольно крутыми сбросовыми поверхностями [13], а не с пологими надвигами, как предполагается в соответствии с представлениями тектоники плит [15 и др.].

Таким образом, рассмотренные механизмы формирования сейсмичности, связанные преимущественно с деэклогитизацией пород коры, удается согласовать с известными геолого-геофизическими данными по гео-

о о X (* /' *-*

синклинальной части переходной зоны Колумбийского типа.

Выводы. Проведенные исследования позволяют высказать аргументированные предположения о природе сейсмичности переходной зоны Колумбийского типа, основные из которых сводятся к следующему.

1. В частях зоны, относящихся к СОХ и молодым активизированным геосинклиналям глубины гипоцентров землетрясений распределены не идентично, но располагаются в одном ограниченном диапазоне глубин -преимущественно в земной коре и самых верхних горизонтах мантии, что связано с небольшой глубиной кровли слоя частичного плавления (асте-

носферы), установленной по тепловым моделям, и отсутствием в ближайшем прошлом активного тепломассопереноса на больших глубинах.

2. Землетрясения (за исключением связанных с движениями магмы в вулканически активных районах зоны) обусловлены напряжениями, возникающими при неравномерном изменении температуры в недрах СОХ, и при перемещениях коровых блоков, породы которых охвачены деэклоги-тизацией в молодых (преимущественно - киммерийских) геосинклиналях.

3. Последний механизм возникновения землетрясений может быть характерен для части событий в коре других фрагментов сейсмического кольца Тихого океана, где диапазон глубин размещения всех гипоцентров гораздо больше.

4. Приведенные соображения позволяют наметить направление исследований природы землетрясений специфической переходной зоны; сделанные заключения нельзя считать окончательными, для этого использованных данных слишком мало.

1. Белоусов В.В. Переходные зоны между континентами и океанами. - М.: Недра,

1982. - 152с.

2. Беляевский НА. Строение земной коры континентов по геолого-геофизическим данным. - М.: Недра, 1981. - 432с.

3. Варенцов И.М., Голубев Н.Г., Гордиенко В.В. и др.. Исследование глубинной геоэлек-трической структуры вдоль линии Линкольн (эксперимент ЭМСЛАБ) // Физика Земли. - 1996. - 4. - С.124-144.

4. Геология континентальных окраин / Ред К. Берк и Ч. Дрейк, Т. 2.- М.: Мир, 1978. - 374с.

5. Гордиенко В.В. Адвекционно-полиморфная гипотеза глубинных процессов в текто-носфере. - Киев: Корвш пресс, 2007. - 172с.

6. Материалы мирового центра данных Б. Глубинное сейсмическое зондирование. Данные по Тихому океану. - М.: МЦД, 1987. - 104с.

7. Мировой центр данных по физике твердой Земли. http://zeus.wdcb.ru

8. Рудич Е.М. Движущиеся материки и эволюция океанического ложа. - М.: Недра,

1983. - 272с.

9. Рудич Е.М. Расширяющиеся океаны: факты и гипотезы. - М.: Недра, 1984. - 252с.

10. Семенова Г.И. Структура земной коры Тихого океана // Сравнительная тектоника континентов и океанов. - М.: МГК АН СССР. - 1987. - С.85-94.

11. Фролова Т.И., Перчук Л.Л., Бурикова ИА. Магматизм и преобразование земной коры активных окраин. - М.: Недра, 1989. - 262с.

12.Хаин В.Е. Региональная геотектоника. Северная и Южная Америка, Антарктида, Африка. М.: Недра, 1971. - 546с.

13. Энциклопедия региональной геологии мира. Западное полушарие. Ред. Р. Фейрб-ридж. - Л.: Недра, 1980. - 512с.

14. Fialko Y., Simons M, Khazan Y. Finite sourse modeling of magmatic unrest in Socorro, New Mexico, and Long Valley, California // Geophys. J. Int. - 2001. - 146. - P. 191200.

15. Hyndman R., Rogers G., Dragert H et al, Geodynamics, Giant earthquakes beneath Canada’s West coast // Geol. Surv. of Canada. http:// gsc.nrcan.gc.ca/geodyn/ mega_e.php.

16. U.S. Geological Survey. National Earthquake information Center. http // www.neic.cr.usgs.gov.

Розглянуто розподіл землетрусів з глибинами вогнищ переважно до 30-40 км у перехідній зоні Колумбійського типу Тихого океану. Встановлено їх зв’язок з глибинними процесами (згідно з адвекційно-поліморфною гіпотезою) у межах середин-ноокеанічного пасма та в регіонах сучасної активізації геосинкліналей кіммерійського віку.

An allocation of earthquakes with focus depths up to 30-40 km in transition zones of Columbian type is considered. Its connection with deep processes (in accordance with the advection-polymorphous hypothesis) in regions of mid-ocean ridge and recent activization of kymmerian geosynclines is determined.