CC BY
65
ГЕОТЕРМИЧЕСКОЕ ПОЛЕ СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ СВАЛЬБАРДСКОЙ ПЛИТЫ: ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ
М.Д. Хуторской, В.Р. Ахмедзянов
Российский университет дружбы народов Подольское шоссе, 8/5, Москва, Россия, 113093
Приводятся результаты измерения теплового потока в северной части Свальбардской плиты вблизи архипелагов Земля Франца-Иосифа и Шпицберген. Измерения выполнялись с помощью новой модификации геотермического зонда «ГЕОС-М». Получено 7 измерений на полигоне «ЗФИ» и 20 — на полигоне «Шпицберген». На первом из полигонов вариации теплового потока от 30 до 85 мВт/м2 связаны как с тектонической активизацией трога Франц-Виктория, так и со структурно-теплофизическими неоднородностями в разрезе осадочного чехла. Аномальные значения теплового потока (от 120 до 519 мВт/м2), измеренные в троге Орла (восточнее Северо-Восточной Земли архипелага Шпицберген), однозначно свидетельствуют о развитии здесь рифтовой зоны, полностью разрушившей континентальную кору. Температурное зондирование водной толщи выявило линзу отрицательных температур в интервале глубин от 30 до 100 м. Исследования проводились при финансовой поддержке Норвежского нефтяного директората, Президиума РАН, Отделения наук о Земле РАН и РФФИ.
В сентябре 2007 года при финансовой поддержке Норвежского нефтяного директората, Президиума РАН, Отделения наук о Земле РАН и РФФИ Геологическим институтом РАН была проведена экспедиция на НИС «Академик Николай Страхов» в северную часть Баренцева моря с целью изучения современных геодинамических процессов на окраине шельфа и на континентальном склоне. В программе этой экспедиции были запланированы геотермические исследования с помощью новой модификации геотермического зонда «ГЕОС-М».
В задачи работ входило измерение теплового потока в неизученных ранее районах вблизи архипелагов Земля Франца-Иосифа и Шпицберген и измерение температуры водной толщи.
Геотермическая изученность Баренцевоморской (Свальбардской) плиты до настоящего времени остается весьма низкой.
Первой попыткой провести измерения плотности теплового потока на шельфе Баренцева моря можно считать геотермические работы по профилю: полуостров Рыбачий — Земля Франца-Иосифа (ЗФИ), выполненные в 1976 году во время 23-го рейса НИС «Академик Курчатов» [1]. Исследования проводились одноканальным автономным погружным термоградиентографом ПТГ-3МТБ, в котором не фиксировались ни придонная температура воды, ни угол вхождения зонда в донные осадки, ни форма термограммы. Относительные погрешности измерений этим прибором оценивались в 30—40%. Полученные записи не позволяли отфильтровать степень влияния экзогенной волны, обусловленной периодическими сезонными колебаниями температуры у дна и придонными течениями.
Начавшаяся в 80-е годы интенсивная разведка нефтегазовых месторождений на шельфе сопровождалась бурением на акватории и на островах глубоких скважин, в которых проводились каротажные исследования, в том числе и термокаро-
таж. К этому времени относятся и первые скважинные измерения теплового потока в южной части Карского моря. Обработка термических измерений позволила оценить значения градиентов температуры, а теплофизические исследования керна скважин — теплопроводность пород. Таким образом были получены первые кондиционные измерения теплового потока в регионе [2], значения которого позже были уточнены В.Г. Левашкевичем [3]. В те же годы Геологический институт КНЦ РАН провел несколько морских экспедиций, в которых измерялся тепловой поток двухканальным автономным зондом ТГЦП. Площадные измерения сопровождались режимными наблюдениями температуры морского дна на нескольких опорных станциях в южной и восточной частях Баренцева моря. Это позволило с помощью специально разработанного алгоритма [3] оценить глубинную компоненту теплового потока и количественно учесть влияние периодических колебаний температуры дна.
Анализ имеющихся на сегодняшний день скважинных и зондовых измерений позволяет говорить о тенденции повышения теплового потока в северо-восточном и северо-западном направлениях (рис. 1).
Рис. 1. Геотермическая изученность Баренцевского региона (обведены районы работ 25-го рейса)
Так, в зоне сочленения Кольской микроплиты и Балтийского щита среднее значение теплового потока составляет 54 мВт/м2, а в районах Северо-Баренцев-ской впадины и Центрально-Баренцевского поднятия — 70 мВт/м2. Такую тенденцию тренда теплового потока можно объяснить влиянием вторичных тектонических процессов в земной коре Баренцевоморской плиты, омоложение которых
происходит в северном направлении. Мы ранее уже высказывали предположение о рифтогенной природе вторичных термических процессов на основании интерпретации геотермических данных [4].
Работы в рейсе выполнялись с помощью новой модификации известной и апробированной серии геотермических зондов «ГЕОС» — зондом «ГЕОС-М».
Зонд предназначен для автоматического высокоточного измерения температуры донных осадков; градиента температур на четырех измерительных базах; теплопроводности осадков на тех же базах; гидростатического давления (глубины); температуры воды; угла внедрения зонда в осадки (угла отклонения от вертикали) и определения на основе полученных данных глубинного теплового потока Земли через дно акваторий. Кроме того, зонд позволяет осуществлять вертикальное температурное зондирование водной толщи. Вся получаемая информация по кабель-тросу поступает в набортный компьютер. По тому же кабель-тросу осуществляется управление процессом измерения.
Полигон «ЗФИ»
Полигон ЗФИ располагался на шельфе к западу от одноименного архипелага. На полигоне было выполнено семь измерений теплового потока (табл. 1) и температуры в толще воды. В результате измерений температуры водной толщи был обнаружен слой отрицательных температур в интервале глубин 30—80 м и изотермическая зона при глубинах более 370—380 м (рис. 2).
-0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6
Рис. 2. 30-блок-диаграмма распределения температуры воды на полигоне «ЗФИ
Таким образом, была определена минимальная глубина (~370 м), при которой возможно измерять тепловой поток. При меньших глубинах сказывалась «не-изотермичность» водной толщи, что обусловливало нелинейность термограммы в донных осадках и, соответственно, увеличение погрешности при оценке теплового потока. Поэтому для измерения теплового потока при глубинах 370 и более метров имелось ограниченное количество точек (рис. 3). На большинстве станций его можно было рассчитать только по показаниям температуры самых нижних баз зонда.
35’ »• и* а- я°
Рис. 3. Измерения теплового потока на полигоне ЗФИ (показаны треугольниками).
Точками показаны три значения теплового потока, полученные при термическом каротаже в скважинах (с запада на восток): «Нагурская» (о. Земля Александры), «Хейса»(о. Хейса) и «Северная»(о. Грэм-Бэлл). Значения теплового потока в мВт/м2
На 3D-блок-диаграмме распределения температур в водной толще полигона (см. рис. 2) видно, что толщина слоя отрицательных значений убывает с севера на юг и с запада на восток полигона. В юго-восточной части полигона проявляется линза относительно повышенных температур воды. Причиной такого температурного режима водной толщи несомненно является привнос более теплой и плотной воды из Атлантики, которая четко стратифицируется с холодной и более легкой арктической водой.
В целом, на полигоне отмечаются фоновые значения теплового потока (табл. 1). Однако мы наблюдаем два высоких значения (88 и 97 мВт/м2) по линии северо-восточного простирания, параллельной проливу Франц-Виктория, а также пониженные значения теплового потока (30—35 мВт/м2) севернее и южнее этой предполагаемой линии.
Таблица 1
Результаты измерений теплового потока на полигоне ЗФИ
№ станций Дата измерения с.ш. в.д. Глубина, м 2 ср. ТП (мВт/м )
2501 03.09.2007 79,3463 38,1587 314 88
2502 04.09.2007 80,0112 48,3466 375 42
2503 04.09.2007 80,0083 46,581 402 52
2505 04.09.2007 80,2472 43,0693 400 97
2506 04.09.2007 80,5039 43,3696 530 30
2507 05.09.2007 80,2472 43,0693 550 34
2509 07.09.2007 80,067 43,1672 390 35
Подобные вариации теплового потока, где на небольшом пространстве значения изменяются в два раза, характерны для районов развития эвапоритовых бассейнов в условиях деструкции коры. На западе ЗФИ, а именно в Александровском поднятии, вулканиты с абсолютным возрастом 116 ± 5 млн лет четко оконту-риваются магнитной аномалией до 600 нТ [5]. Это позволило предложить модель деструкции континентальной коры (break-up) именно в этой части архипелага [6; 7]. С этапом break-up связан процесс образования соленосных толщ [8; 9]. Эвапо-
риты повсеместно встречаются в разрезах океанического чехла окраинных пери-океанических бассейнов Атлантики [10]. Преимущественно на деструктивной континентальной коре образуется система грабенов, выполненных эвапоритовыми осадками. Наиболее полно изучены солеродные бассейны Западно-Африканской пассивной окраины (Канарская котловина) и Северо-Американской (Ньюфаундленд) [11].
Осадочные эвапоритовые линзы выклиниваются обычно лишь в направлении к внутренним районам континента и практически непрерывны вдоль простирания окраины. Осадочный чехол окраины постепенно переходит в чехол абиссальной котловины океана. Наиболее крупные осадочные бассейны связываются с участками выхода к океану поперечных рифтов. В качестве примера мы приводим здесь разрез осадочного бассейна Ново-Скотия (Ньюфаундленд) (рис. 4), заимствованный из работы [5]. Среди синрифтовых осадков широко развита соль. На глубине 4500 м скважиной «Mohican 1-100» и 4100 м скважиной «Gloscap C-63» вскрыта соль [11], образующая штоки и купола.
20 40 60 80
EZ2H .ЕН32 \Шз ЕЗ4 ЕЗ5 в6 ЕШ7 ^8 EI39 ЕЕВю ЕЗи ЕЗ12 [23із езі4 [S15
Рис. 4. Сравнение разрезов земной коры континентальных склонов Северной Атлантики (район о. Ньюфаундленд) (вверху) и Евразийского бассейна (район ЗФИ) (внизу)
Кривая д: 1 — наблюденная; 2 — расчетная; 3 — плотность, г/см3; 4 — глины; 5 — песчаники;
6 — соль; 7 — триасовые отложения: алевриты, аргиллиты; 8 — рифейские отложения,
9 — кристаллический фундамент; 10, 11 — нерасчлененный фундамент в районе о. Ньюфаундленд; 12 — второй слой океанической коры; 13 — третий слой океанической коры; 14 — граница М; 15 — разломы
На континентальном склоне ЗФИ в районе депрессий Пролива Британского канала и Кембридж выявлены локальные минимумы гравитационного поля в редукции Фая, которые В.В. Верба [12] ассоциировала с соляными диапирами. Позже это предположение подтвердилось результатами плотностного моделирования [5].
Теплопроводность каменной соли очень высока. Она составляет 5,0— 5,5 Вт/(мК), что в 3—4 раза превышает теплопроводность вмещающих терри-генных пород, которая составляет 1,6—2,0 Вт/(м К). Такой резкий контраст теплопроводности, а также крутые углы наклона границ раздела сред обусловливают перераспределение глубинного теплового потока [13].
Эффект перераспределения глубинного потока энергии в условиях структурно-теплофизических неоднородностей может проявляться и на полигоне ЗФИ. Станции теплового потока, в которых получены значения 88 и 97 мВт/м2, могли быть измерены над апикальной частью куполов, а станции, где значения составляют 30, 34 и 35 мВт/м2, — над межкупольными зонами.
Эта одна из возможных моделей, объясняющая вариации теплового потока, но для ее подтверждения требуется иметь результаты сейсмического профилирования методами МОВ-ОГТ или ГСП.
Полигон «Шпицберген»
Объектом изучения геотермического поля на полигоне «Шпицберген» был трог Орла, простирающийся от архипелага Короля Карла на юге до начала континентального склона Котловины Нансена на севере. Трог представляет собой узкую, выраженную в рельефе дна депрессию меридионального простирания. Высота стенок депрессии составляет до 400 м. Дно депрессии расположено на глубине 470—520 м и довольно плоское. По простиранию трог выражен на протяжении почти 200 км при ширине всего 50 км.
Распределение температуры в водной толще полностью аналогично тому, которое описано для полигона «ЗФИ».
Тектоническая природа этой структуры была совершенно не ясна, и в литературе о ней имеются весьма отрывочные данные.
Измерения теплового потока планировалось провести с целью выяснения признаков современной тектонической активности.
В троге и на его продолжении в пределах континентального склона было выполнено 20 измерений (табл. 2), в результате которых были получены «сенсационные» результаты измерений теплового потока. Он составлял от 300 до 520 мВт/м2, т.е. почти в 10 раз превысил уровень фонового теплового потока для Баренцева моря. Идеальная форма записи температуры датчиков в грунте (рис. 5) не оставляла сомнений в достоверности полученных результатов.
На всех «аномальных» станциях термограммы имели линейную или близкую к линейной форму. Это свидетельствовало о том, что измеренный тепловой поток является чисто кондуктивным. Искривление термограммы, что свидетельствовало бы о конвективной разгрузке глубинного флюида, здесь не наблюдалось.
Таблица 2
Результаты измерений теплового потока на полигоне «Шпицберген»
№ станций Дата измерения с.ш. в.д. Глубина, м ср.ТП, (мВт/м2)
2523 14.09.2007 80,0604 29,3266 330 340
2525 14.09.2007 80,0642 29,337 330 338
2526 14.09.2007 80,3177 29,4437 440 299
2527 15.09.2007 80,409 29,309 430 484
2529 15.09.2007 80,4194 29,0828 530 462
2530 15.09.2007 80,4456 29,2863 485 438
2531 15.09.2007 80,4657 29,2331 465 407
2535 16.09.2007 80,2788 29,2516 410 327
2537 18.09.2007 81,3974 27,5607 2 330 54
2539 18.09.2007 81,1018 29,0919 340 474
2541 18.09.2007 81,0538 29,3096 310 519
2543 19.09.2007 81,325 29,395 1 185 118
2544 19.09.2007 81,319 29,21 1 010 122
2545 19.09.2007 81,3221 29,0358 1 010 107
2547 19.09.2007 81,4142 28,5693 2 530 53
2548 19.09.2007 81,3908 28,1994 2 250 77
2549 19.09.2007 81,3944 27,455 2 280 69
2550 19.09.2007 81,3501 27,4793 1 870 89
2551 19.09.2007 81,314 27,4789 1 400 90
2552 20.09.2007 81,2616 27,4984 770 326
Импульс фрикционного Импульс фрикционного
Время, с
Номера датчиков
......... 1
--------- 2
3
---------4
--------- 5
--------- Tw
Рис. 5. Пример записи температур датчиков зонда в грунте (ст. 2526)
Аномально высокий тепловой поток характерен для всего трога Орла и для его продолжения в пределах континентального склона вплоть до изобаты 1200 м (рис. 6).
Только при больших глубинах отмечается снижение теплового потока, хотя и на глубине от 1400 м до 1870 м мы измерили повышенные значения теплового потока 89 и 90 мВт/м2.
В* 24* 36" 36" 42'
Рис. 6. Расположение станций измерений теплового потока на полигоне «Шпицберген
Морфология трога, а также полученные впервые для этой структуры геотермические данные позволяют говорить о рифтовой природе трога Орла. Этот рифт образовался в результате деструкции края континентальной Свальбард-ской плиты (см. тот же вывод для параллельного трога Франц-Виктория), которая, по-видимому, активно продолжается в настоящее время. Большая скорость накопления терригенных и моренных отложений обусловливает экранирование зон разгрузки глубинного флюида на морское дно1.
Существование рифтовых структур, ортогональных простиранию континентального склона на краю Свальбардской плиты, указывалось и ранее [14]. Однако обнаруженный нами активный рифт — трог Орла — выделяется впервые.
Экстраполяция температур в нижнее полупространство показывает, что на глубине 4,0—4,5 км под трогом Орла могут быть встречены солидусные температуры. Это говорит о том, что деструкция континентальной коры произошла на всю ее мощность и горячее мантийное вещество уже внедрилось в фундамент, а возможно, проникло в нижние слои осадочного чехла.
Обнаруженная нами активная тектоническая структура требует дальнейшего изучения. В частности, желательно было бы провести гидрохимическое опробование придонных слоев с целью анализа индикаторов мантийного тепломассопо-тока, например таких, как отношение 3Не/4Не.
1 Хотя при детальных придонных гидрохимических исследованиях не исключено на-
хождение очагов гидротермальной разгрузки.
Выводы
Получено 27 новых измерений теплового потока в не изученных ранее районах северной части Баренцева моря вблизи архипелагов Земля Франца-Иосифа и Шпицберген.
Установлены вариации теплового потока на полигоне «ЗФИ» в пределах 34—88 мВт/м2. Их можно объяснить перераспределением теплового потока в условиях структурно-теплофизических неоднородностей.
Измерения на полигоне «Шпицберген» в пределах Трога Орла дали аномально высокие значения теплового потока (от 107 до 519 мВт/м2). Это однозначно доказывает наличие деструкции континентальной коры окраины шельфа. Аномалия распространена вплоть до абиссали Котловины Нансена СЛО.
В результате температурного зондирования водной толщи установлено существование линз с отрицательными температурами на обоих полигонах в интервале глубин 30—100 м. Относительно теплая и более соленая вода, попадающая в бассейн СЛО из Атлантики, распространяется в интервале глубин от 100—120 до 200 м.
Статья подготовлена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 0805-00012) и Инновационной образовательной программы «Создание инновационных образовательных программ и формирование инновационной образовательной среды, позволяющих эффективно реализовывать государственные интересы РФ через систему экспорта образовательных услуг».
ЛИТЕРАТУРА
[1] Методические и экспериментальные основы геотермии. — М.: Наука, 1983. — С. 181— 185.
[2] Цыбуля Л.А., Левашкевич В.Г. Тепловое поле Баренцевоморского региона. — Апатиты, 1992. — С. 114.
[3] Левашкевич В.Г. Закономерности распределения геотермического поля окраин Восточно-Европейской платформы (Баренцевоморский и Белорусско-Прибалтийский регионы): Автореф. докт. дисс. — М.: МГУ, 2005.
[4] Хуторской М.Д., Подгорных Л.В., Грамберг И.С., Леонов Ю.Г. Термотомография Западно-Арктического бассейна // Геотектоника. — 2003. — № 3. — С. 79—96.
[5] Верба В.В., Астафурова Е.Г., Леонов В.О., Мандриков В.С., Хлюпин Н.И. Строение северной континентальной окраины Баренцевского шельфа в районе архипелага Земля Франца-Иосифа // Геолого-геофизические характеристики литосферы Арктического региона. Тр. НИИГА-ВНИИ Океангеология. — Т. 203. — СПб., 2004. — С. 169—175.
[6] Грачев А.Ф. Новый взгляд на природу магматизма Земли Франца-Иосифа // Физика Земли. — 2001. — № 9. — С. 49—61.
[7] Rowley D.B., Lottes A.L. Plate-kinematic reconstructions of the North Atlantic and Arctic: late Jurassic to present // Tectonophysics. — 1988. — 155. — P. 73—120.
[8] Шеридан Р. Атлантическая континентальная окраина Северной Америки // Геология континентальных окраин. — М.: Мир, 1978. — Т. 2. — С. 82—101.
[9] Забанбарк А. Пассивные континентальные окраины Западной Африки и особенности нефтегазоносности их глубоководных частей // Океанология. — 2000. — Т. 42. — № 2. — С. 308—314.
[10] Боголепов А.К., Шипилов Э.В., Юнов А.Ю. Новые данные о соленосных бассейнах Западно-Арктического шельфа Евразии // Докл. АН СССР. — 1991. — Т. 317. — № 4. — С. 718—722.
[11] Bates J.L. East coast basin /Atlas series Scotian shelf. — 1991. GSC.
[12] Верба В.В. Сравнительная геолого-геофизическая характеристика Североморского и Баренцевоморского осадочных соленосных бассейнов // Нефтегазоносность Мирового океана. — Л.: ПГО «Севморгеология», 1984. — С. 34—39.
[13] Хуторской М.Д., Антипов М.П., Волож Ю.А., Поляк Б.Г. Температурное поле и трехмерная геотермическая модель Прикаспийской впадины // Геотектоника. — 2004. — № 1. — С. 63—73.
[14] Богданов Н.А. Тектоника Арктического океана // Геотектоника. — 2004. — № 3. — С. 13—30.
GEOTHERMAL FIELD OF SVALBARD PLATE NORTHERN PART: PROBLEMS AND EVALUATIONS
M.D. Khutorskoy, V.R. Akhmedzianov
Peoples Friendship University of Russia
Podolskoye shosse, 8/5, Moscow, Russia, 113093
Heat flow measurements data in the northern part of Svalbard plate near Franz-Josef Land (FJL) and Spizbergen are resulted. Measurements were carried out by new updating geothermal probe «GEOS-M». Seven heat flow measurements on «FJL» and twenty — on «Spizbergen» are received. On first of them heat flow variation from 30 up to 85 mW/m2 are connected both with trough valley Franz-Victoria tectonic activization and with structural and thermal conductivity hetero genesis inside sedimentary cover. Abnormal heat flow values (from 120 up to 519 mW/m2), measured in trough Orly (to the eastern of Spizbergen North-East Land), testify to rift zone development which completely destroyed a continental crust. Water temperature sounding discovered a leyer of negative temperatures in the depths from 30 to 100 m. Researches were sponsored of the Norwegian oil Management, RAS Presidium, RAS Earth sciences departament and the Russian Basic Research Foundation
