CC BY
12
ИСТОРИЯ НАУКИ
УДК 551.242.23.001.57
DOI 10.29003/m1778.0514-7468.2020_42_4/485-501
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩИХ ДЕФОРМАЦИЙ В ЛАБОРАТОРИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ГЕОДИНАМИКИ МУЗЕЯ ЗЕМЛЕВЕДЕНИЯ МГУ (к 40-летию создания лаборатории)
А.Л. Грохольский, Е.П. Дубинин, Г.Д. Агранов, М.С. Барановский, Я.А. Данилов, П.А. Доманская, А.А. Максимова, А.И. Макушкина, А.О. Ращупкина, А.И. Толстова, А.Н. Филаретова, Ю.А. Шепталина,
Е.Л. Щербакова1
В контексте становления геодинамики как одного из направлений геологической науки рассмотрена история создания лаборатории экспериментальной геодинамики Музея землеведения МГУ, организованной в 1980 г. Представлены основные направления экспериментальных исследований, проводимых в ней за период 2015-2020 гг., и основные результаты проведённых экспериментов. Освещены вопросы использования экспериментальных результатов в учебном процессе и в экспозиции Музея.
Ключевые слова: физическое моделирование, структурообразование, риф-тогенез, спрединг, горячая точка, микроконтинент.
Ссылка для цитирования: Грохольский А.Л., Дубинин Е.П., Агранов Г.Д., Барановский М.С., Данилов Я.А., Доманская П.А., Максимова А.А., Макушкина А.И., Ращупкина А.О., Толстова А.И., Шепталина Ю.А., Щербакова Е.Л.
1 Грохольский Андрей Львович - к.г.н., в.н.с. Музея землеведения МГУ, andregro@mail.ru; Дубинин Евгений Павлович - д.г.-м.н., зав. сектором Музея землеведения МГУ, edubinin08@rambler.ru; Агранов Григорий Дмитриевич - аспирант геологического факультета МГУ; Барановский Максим Салимович - магистр геологии, специалист геолого-геофизической службы «РН-Эксплорейшн»; Данилов Ярослав Анатольевич - магистр геологии; Доманская Полина Алексеевна - бакалавр географического факультета МГУ, магистрант геологического факультета МГУ; Ращупкина Анастасия Олеговна - бакалавр геологии; Макушкина Анна Игоревна -магистр геологии, The Australian National University, Research School of Earth Sciences; Максимова Анастасия Андреевна - бакалавр географии, студентка Университета Бремена, Германия; Толстова Анастасия Ильинична - магистрант геологического факультета МГУ; Филаретова Анна Николаевна - вед. инженер Музея землеведения МГУ, annaf32@yandex.ru; Шепталина Юлия Александровна - бакалавр геологического факультета МГУ; Щербакова Екатерина Львовна - магистр геологии.
Жизнь Земли 42(4) 2020 485-501 485
Физическое моделирование структурообразующих деформаций в лаборатории экспериментальной геодинамики Музея землеведения МГУ (к 40-летию создания лаборатории) // Жизнь Земли. 2020. Т. 42, № 4. С. 485-501. DOI: 10.29003/ m1778.0514-7468.2020_42_4/485-501.
Поступила 29.09.2020 / Принята к публикации 25.11.2020
PHYSICAL MODELING OF STRUCTURE-FORMING DEFORMATIONS IN THE LABORATORY OF EXPERIMENTAL GEODYNAMICS AT THE EARTH SCIENCE MUSEUM AT MOSCOW STATE UNIVERSITY
(to the 40th anniversary of the laboratory establishment)
A.L. Grokholsky1, PhD, E.P. Dubinin1, Dr.Sci (Geol.), G. D. Agranov2, M.S. Baranovsky3, Ya.A. Danilov, P.A. Domanskaya2, A.A. Maksimova5, A.I. Makushkina4, A.O. Rashchupkina, A.I. Tolstova2, YuA. Sheptalina2, E.L. Shcherbakova, A.N. Filaretova1
1 The Earth Science Museum at Moscow State University 2 Lomonosov Moscow State University (Faculty of Geography) 3 Geological and geophysical service "RN-Exploration" 4 The Australian National University, Research School of Earth Sciences 5 University of Bremen, Germany
The creation of the laboratory of experimental geodynamics of the Earth Science Museum history is considered in the context of geodynamics establishment of as a branch of geology. The main directions of experimental research carried out in the laboratory for the period 2015-2020 and the main results of the experiments are presented. The issues of using experimental results in the educational process and in the museum exposition are highlighted.
Keywords: physical modeling, structure formation, rifting, spreading, hot spot, microcontinent.
Введение. В 2020 г. исполнилось 40 лет с основания лаборатории экспериментальной геодинамики в научно-учебном Музее землеведения МГУ. 1950-е - 1980-е годы прошлого столетия - десятилетия расцвета науки в нашей стране: физики, химии, биологии. Были сделаны фантастические успехи в освоении Космоса. Не стали исключением и науки о Земле. В 1950-х гг. были организованы первые Антарктические экспедиции, активизировались исследования в Арктике, были открыты и освоены многие месторождения полезных ископаемых. Важным этапом в развитии наук о Земле стали открытия, сделанные в период Международного геофизического года (1957-58). Этот год объединил исследователей разных стран. Были организованы сотни экспедиций, сделаны фундаментальные открытия в области глубинной геофизики и в Мировом океане, которые перевернули взгляды геологов на природу процессов, управляющих строением и развитием твёрдой оболочки нашей планеты. В результате возникла гипотеза, а затем и новая теория тектоники литосферных плит, базирующаяся на идеях немецкого геофизика Альфреда Вегенера о дрейфе материков.
Одновременно со становлением концепции тектоники литосферных плит развивалась и новая наука - геодинамика, которую В.Е. Хаин определил как «науку о физических и химических процессах, происходящих внутри Земли, изменяющих её геологическую структуру и рельеф». Т. е. эта наука требовала не только описания процессов и явлений, но и оценки их с точки зрения соответствия законам физики и химии. Цель геодинамики - установление и исследование сил и причин, действие которых порождает процессы, изменяющие состав и строение Земли. Геодинамика использует 486
информацию всех основных наук о Земле и является, таким образом, интегрирующей дисциплиной. Задачи геодинамики заключаются в построении моделей глубинных процессов на основе комплексного анализа геоморфологических, геологических, геофизических и геохимических данных, а также методов численного и физического моделирования. В основе моделирования лежат физические законы и фактические данные, чем их больше и чем они достовернее, тем корректнее модель. Там, где испытывает трудности численное моделирование вследствие неоднозначности геологических процессов и физических параметров, на помощь приходит физическое или аналоговое моделирование, с помощью которого в лабораторных условиях воспроизводятся аналоги природных процессов, напряжённого состояния коры, особенности её деформаций. Результаты моделирования сопоставляются с наблюдаемыми природными явлениями и объектами. Поэтому создание лабораторий физического моделирования геологических процессов стало просто необходимым на определённом этапе развития науки - как независимый и очень важный метод исследований. В те годы в мире было совсем немного подобных лабораторий по физическому моделированию.
Лаборатория экспериментальной геодинамики была организована в 1980 г. по инициативе и поддержке крупных учёных - директора Музея землеведения профессора С.А. Ушакова и зав. отделом тектоники плит Института океанологии РАН им. Ширшова О.Г. Сорохтина. Лаборатория была создана распоряжением по Музею в структуре отдела эндогенных процессов.
Непосредственное участие в её организации приняли сотрудники сектора геодинамики Музея землеведения А.И. Шеменда (первый руководитель лаборатории), А.Л. Грохольский и Е.П. Семёнов. В период становления лаборатории были заложены теоретические и методические подходы, реализуемые при экспериментальных исследованиях [3]. На начальном этапе практически своими руками было сконструировано специальное оборудование, подобраны модельные материалы, отвечающие критериям подобия природного и модельного вещества. За цикл работ по экспериментальному моделированию процессов деформации литосферы руководитель лаборатории А.И. Шеменда был удостоен Премии Ленинского комсомола в области науки и техники за 1985 г.
В 1990-е гг. вся российская наука испытывала непростые времена, но лабораторию удалось сохранить. С 2000 г. научное руководство и организацию проведения экспериментов в ней осуществляли Е.П. Дубинин и А.Л. Грохольский. Особенностью этого периода стало широкое привлечение студентов к работе в лаборатории.
Модельные материалы и экспериментальное оборудование. Экспериментальное оборудование, используемые модельные материалы, различные методики проведения экспериментов были подробно описаны в работах [1, 3, 12, 17]. Благодаря поддержке Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований в 2017 г. лаборатория была существенно модернизирована (рис. 1).
Критерии подобия были разработаны А.И. Шемендой [12, 17, 18]. В соответствии с ними были созданы модельные материалы и изучены их реологические свойства. Эти вещества представляют собой коллоидные системы, составленные на основе жидких (минеральные масла) и твёрдых (церезин, парафин) углеводородов, тонкодисперсных порошков и поверхностно-активных веществ.
В зависимости от исследуемого процесса (сжатие, растяжение или сдвиг литосферы) моделирование проводилось на различных экспериментальных установках. Они были разработаны и изготовлены собственными силами. Их отдельные блоки и узлы в процессе работы постоянно модернизируются. Соответственно и методики приготов-
Рис. 1. Экспериментальная установка (в центре) в лаборатории экспериментальной геодинамики.
Fig. 1. Experimental equipment (center) in the laboratory of experimental geodynamics.
ления модельных материалов, подготовки и проведения опытов разрабатываются под конкретный вид экспериментов. Некоторые оригинальные разработки сотрудников лаборатории были отмечены авторскими свидетельствами.
В настоящее время экспериментальный комплекс состоит из шести основных блоков [1] (см. рис. 1). Во внутреннем объёме установки располагаются нагреватели. С их помощью модельное вещество плавится, имитируя астеносферу. Затем оно принудительно охлаждается и кристаллизуется, образуя модельную литосферу. Изменение длительности охлаждения обеспечивает разную толщину модельной литосферы при разных соотношениях её хрупкой и пластичной частей, которая подвергается впоследствии горизонтальному растяжению или сжатию с помощью поршня. Контроль за температурой осуществляется постоянно в процессе подготовки и проведения экспериментов. Деформация упруго-пластичной модельной литосферы, формирующая трещины и структуры различного ранга, осуществляется при постоянной комнатной температуре на поверхности слоя.
Локальный источник нагрева (ЛИН), сконструированный сотрудниками лаборатории и введённый в структуру установки в 2019 г., позволяет создавать термические аномалии и моделировать аналоги природных процессов, связанных с деятельностью горячих точек и мантийных плюмов.
Основные направления экспериментального моделирования. В 2015-20 гг. в лаборатории было проведено около 1000 опытов по моделированию процессов, связанных с формированием и эволюцией земной коры, литосферы. Основное внимание в этот период уделялось исследованию структурообразующих деформаций в процессе спрединга и аккреции новой океанической коры при сдвиге в зонах трансформных разломов, а также особенностям структурообразования при переходе от континентального рифтинга к океаническому спредингу.
Краткое описание экспериментальных результатов.
Структурообразование на Западном хребте Скотия. Для понимания динамики развития продвигающейся рифтовой трещины были проведены эксперименты по
моделированию сегментации на Западном хребте Скотия и взаимодействия рифтовой трещины хребта со структурным барьером континентальной литосферы Фолклендского плато (рис. 2).
Рис. 2. А - структурная схема моря Скотия. Белым цветом показана океаническая литосфера плит: АНТ - Антарктическая, СКО - Скотия, САН - Сандвичева, ЮАМ - Южноамериканская, ЗХС - хребет Западный Скотия. 1, 2 - зоны субдукции (1 - активные, 2 - отмершие), 3 - транспрессионные разломы, 4 - сдвиговые и транстенсивные разломы, 5 - палеотрансформ-ные разломы, 6, 7 - спрединговые хребты (6 - отмершие, 7 - активные; стрелками показано направление спрединга), 8 - рифт пролива Брансфильд, 9 - пассивные континентальные окраины, 10 - массивы утонённой континентальной литосферы. Стрелками показаны направления движения плит и скорости их перемещения в см/год [14]. Б-Е - моделирование структурообразова-ния на хребте Западном Скотия. Б - постановка экспериментов. 1 - континентальная литосфера банки Бердвуд и Фолклендского плато, 2 - утонённая континентальная кора, 3 - ослабленная кора зоны растяжения, 4 - направление растяжения, 5 - осевые трещины, сформированные в результате растяжения, 6 - новообразованная модельная океаническая кора. В-Е - результаты моделирования (вид сверху): В, Д - последовательные стадии формирования рифтовой трещины и аккреции коры в модели; Г, Е - дешифрирование результатов соответствующих стадий; В, Г - разрушение модельной литосферы в ослабленной зоне и формирование естественной сегментации; Д, Е - соединение смещённых сегментов формирующимися сдвигами и аккреция новой модельной коры вдоль спрединговых сегментов [5].
Fig. 2. A - structural scheme of the Scotia Sea. The oceanic lithosphere of the plates is shown in white: АНТ - Antarctic, СКО - Scotia, САН - Sandvicheva, ЮАМ - South American, ЗХС - West Scotia Ridge. 1, 2 - subduction zones (1 - active, 2 - extinct), 3 - transpressional faults, 4 - strike-slip and transtensive faults, 5 - paleotransform faults, 6, 7 - spreading ridges (6 - extinct, 7 - active, arrows show spreading direction), 8 - Bransfield Strait rift, 9 - passive continental margins, 10 - massifs of thinned continental lithosphere. Arrows indicate the direction of movement of the plates and their speed in cm / year [14]. Б-Е - modeling of structure formation on the West Scotia Ridge. Б - setting up experiments. 1 - continental lithosphere of the Birdwood Bank and the Falkland Plateau, 2 - thinned continental crust, 3 - weakened crust of the extension zone, 4 - direction of extension, 5 - axial cracks formed as a result of extension, 6 - newly formed model oceanic crust. В-E - modeling results (top view): В, Д - successive stages of rift crack formation and crustal accretion in the model; Г, Е -interpretation of the results of the corresponding stages. В, Г - destruction of the model lithosphere in the weakened zone and the formation of natural segmentation; Д, E - joining of displaced segments by forming strike-slip faults and accretion of a new model crust along spreading segments [5].
Эксперименты воспроизводили геодинамические и кинематические условия развития и сегментации хребта Западный Скотия. В природной ситуации угол между генеральным простиранием рифтовой зоны с утонённой литосферой и направлением растяжения Za = 60°. При растяжении литосферы в ослабленной рифтовой зоне с утонённой литосферой образуются трещины, формирующие естественную сегментацию оси (рис. 2 В, Г). Затем они продвигались навстречу друг другу и соединялись, формируя сдвиговые зоны. При дальнейшем растяжении происходило наращивание новой модельной океанической коры (рис. 2 Д, Е).
Как показали экспериментальные исследования, важную роль в формировании первичной сегментации рифтовой трещины играют угол Za [1], толщина и ширина ослабленной рифтовой зоны с утонённой литосферой.
Согласно проведённым экспериментам, в случае столкновения рифтовой трещины со структурно-вещественными неоднородностями с повышенной прочностью литосферы возможны три ситуации: рифтовая трещина преодолевает этот структурный барьер и продвигается дальше, смещается с образованием сдвига (трансформного разлома, что особенно вероятно в условиях косого растяжения), прекращает своё активное развитие.
На пути рифтовой трещины хребта Западного Скотия таким структурно-вещественным барьером являлась мощная континентальная литосфера Фолклендского плато, с которым хребет столкнулся 8 млн лет назад [20]. Она не только послужила непреодолимым препятствием для продвижения рифтовой трещины хребта Западного Скотия, но и способствовала изменению направления астеносферного потока, ответственного за формирование спредингового хребта Западного Скотия, на субширотное. Эти геодинамические изменения привели к перераспределению напряжений в этом районе и, как следствие, прекращению спрединга на хребте Западного Скотия, формированию сдвига вдоль северной границы плиты Скотия и инициированию растягивающих напряжений в центральной и восточной провинциях моря Скотия.
Влияние термических аномалий на тектоническое строение осевых и внеосе-вых зон спрединговых хребтов (Юго-Восточный Индийский и Юго-Западный Индийский хребты). Вдоль простирания Юго-Восточного Индийского хребта (ЮВИХ) и Юго-Западного Индийского хребта (ЮЗИХ) встречаются аномально прогретые и аномально холодные области литосферы и подлитосферной мантии. К первым относится область горячей точки Амстердам - Сен-Поль, расположенной в окрестности оси спре-динга, и горячей точки Кергелен, удалённой от спредингового хребта на значительное расстояние. К холодной области относится Австрало-Антарктический Дискордант (ААД) на ЮВИХ и область крупных трансформных разломов Принц Эдуард - Эндрю Бейн на ЮЗИХ. Эти области существенно различаются по осевой и внеосевой морфологии, характеру структурной сегментации, особенностям проявления магматизма и были исследованы с помощью численного и физического моделирования [2, 6].
Экспериментальное моделирование показало, что наличие термических аномалий («горячих точек») в мантии вблизи спредингового хребта оказывает значительное влияние на геометрию и сегментацию рифтовой оси, характер аккреции коры и формирование осевых и внеосевых структур. Горячая точка «притягивает» рифтовую ось, положение которой стабилизируется над ней. В этом случае в осевой зоне формируется область аномально прогретого рельефа, а на флангах спредингового хребта остаются морфологические следы малоамплитудного рельефа, оставленные горячей точкой, как в случае горячей точки Амстердам - Сен-Поль (рис. 3) [2, 6]. 490
лип г
Рис. 3. Эксперимент 509. Эволюция рельефа в модели с горячей точкой, расположенной на оси рифтовой зоны. А-В - стадии эксперимента. Фото, вид сверху. Прямоугольник на стадии А - проекция локального источника нагрева (ЛИН) на поверхность модели. (1) - первоначальная модельная плита; (2) - новообразованная литосфера; (3) - новообразованная литосфера в зоне действия ЛИН; (4) - границы основных формирующихся структур; (5) - ось спрединга;
(6) - поперечные разломы; (7) - границы между аккреционными валами; (8) - проекция ЛИН (горячей точки) на поверхность модели; (9) - направление растяжения [2, 6].
Fig. 3. Experiment 509. Evolution of the relief in the model with a hot spot located on the axis of the rift zone. А-В - stages of the experiment. Photo, top view. The black rectangle at stage A is the projection of the local heating source (LIN) onto the model surface. (1) - the original model plate; (2) - newly formed lithosphere; (3) - newly formed lithosphere in the area of the LIN action; (4) - the boundaries of the main emerging structures; (5) - spreading axis; (6) - transverse faults;
(7) - boundaries between accretion swells; (8) - projection of LIN (hot spot) onto the model surface; (9) - direction of stretching [2, 6].
Нередко активная магматическая деятельность плюма формирует крупные магматические провинции, морфологически выраженные в виде океанических плато. В процессе своего развития рифтовая зона спредингового хребта может пройти через такое магматическое плато и разделить его на две части, а затем удалиться от эпицентра продолжающего активно действовать плюма. Примером такого случая может служить прохождение рифтовой зоны ЮВИХ через магматическую провинцию и плато Кергелен, которое произошло = 43 млн лет назад. Результатом такого «столкновения» рифтовой зоны с плато Кергелен стало разделение последнего на две части: собственно плато Кергелен с продолжающимся до настоящего времени плюмовым магматизмом и плато Брокен, являющееся в настоящее время амагматичным (рис. 4). Современным примером прохождения спредингового хребта через плюмовую магматическую провинцию является Исландия, где рифтовая зона Срединно-Атлантического хребта проходит непосредственно через этот остров.
Примером относительно холодной мантии в пределах ЮВИХ является район Австрало-Антарктического дискорданта (ААД). Здесь отсутствует осевая магматическая камера, толщина коры уменьшается, а толщина и прочность литосферы увеличивается. В процессе аккреции коры формируется более контрастный и расчленённый рельеф, ось спрединга становится менее линейной и в процессе своей эволюции часто смещается нетрансформными и трансформными смещениями.
Рис. 4. Эксперимент 2188. Взаимодействие спредингового хребта с крупной магматической провинцией в модели. Слева: 1-5 - стадии эксперимента, фото (вид сверху), справа их структурные схемы. (1) - первоначальная модельная плита; (2) - новообразованная литосфера; (3) - магматические излияния; (4) - границы основных формирующихся структур; (5) - ось спрединга;
(6) - смещения и сдвиги; (7) - границы между аккреционными валами; (8) - направление растяжения; (9) - область влияния ЛИН.
Fig. 4. Experiment 2188. Interaction of a spreading ridge with a large igneous province in the model. Left: 1-5 - stages of the experiment, photo (top view), on the right -their structural diagrams. (1) - the original model plate; (2) - newly formed lithosphere; (3) - magmatic outpourings; (4) - the boundaries of the main emerging structures; (5) - spreading axis; (6) - displacements and shifts;
(7) - boundaries between accretion swells; (8) - direction of stretching; (9) - area of influence of LIN.
Моделирование образования микроконтинентов и краевых плато. В переходных зонах от континентов к океанам, а также в пределах океанского дна расположено значительное количество континентальных блоков, полностью или не полностью отделённых от материка. К первым относятся микроконтиненты, которые со всех сторон окружены океанической корой (например, Сейшельская банка, банка Элан, хребет Лакшми, поднятия Гульден Драк, Батавия и др.). Вторые представлены краевыми плато (Воринг, Эксмут, Галиция, Флэмиш Кэп и др.) и островами (Сокотра, Тасмания, Шри Ланка), отделёнными от материка неразвившимся рифтом - авлакогеном [7]. Образование этих структур связано с процессом перехода от континентального рифтинга к океаническому спредингу. Эти вопросы изучались с помощью физического моделирования.
Эксперименты показали, что формирование погружённых краевых плато в пределах континентальных окраин возможно при встречном продвижении двух рифтовых трещин, которые ограничивают блок микроконтинента с обеих сторон. Одна рифто-вая ветвь трансформировалась в дальнейшем в спрединговый хребет, а вторая, со стороны континента, отмирала, формируя структуру типа авлакогена, с характерным осадочным бассейном, отделяющим погружённые краевые плато от материка. В процессе своего развития континентальные микроблоки испытывали вращательные деформа-
ции как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Такие деформации могли приводить к излиянию магмы на поверхность коры даже в условиях относительно холодной мантии. Это сопровождается локальными перескоками оси спрединга и формированием асимметричного рельефа (рис. 5).
Рис. 5. Эксперимент № 2083. Образование в модели краевых плато, сопровождаемое излиянием расплава вследствие сильного вращения блоков и их вертикальных подвижек. (а) А-Д - стадии эксперимента, фото (вид сверху); Е - структурная схема последней стадии эксперимента. (б) - схематичный профиль рельефа и разрез модельной литосферы по линии J-J*. 1 - утонённая континентальная литосфера (в природе - внешняя проксимальная окраина, сер-пентинизированная континентальная мантия, зона эксгумации мантии); 2 - зона наращивания океанической коры при ультрамедленном спрединге при V1; 3 - зона стационарного наращивания океанической коры при V2 (увеличение скорости спрединга - медленный спрединг); 4 - магматические излияния; 5 - расплав - модельная астеносфера; 6 - краевое плато; 7 - ось спрединга; 8 - границы между аккреционными валами; 9 - зоны поперечных смещений; 10 - направление растяжения; 11 - направление вращения блока.
Fig. 5. Experiment 2083. Formation of edge plateaus in the model, accompanied by the outpouring of the melt due to strong rotation of blocks and their vertical movements. (a) A-D - stages of the experiment, photo (top view). E - block diagram of the last stage of the experiment. (b) schematic relief profile and section of the model lithosphere along the J-J* line. 1 - thinned continental lithosphere (in nature - outer proximal margin, serpentinized continental mantle, mantle exhumation zone); 2 -zone of oceanic crust build-up during ultra-slow spreading at V1; 3 - zone of stationary oceanic crust growth at V2 (increasing spreading rate - slow spreading); 4 - magmatic outpourings; 5 - melt - model asthenosphere; 6 - edge plateau; 7 - spreading axis; 8 - boundaries between accretion swells; 9 - zones of lateral displacements; 10 - direction of stretching; 11 - direction of block rotation.
Для образования микроконтинентов оказалось необходимым наличие термических (горячая точка) или структурных неоднородностей, ослабляющих прочность литосферы, приводящих к перескоку оси спрединга в область неоднородности и последующему отделению микроблока от континента.
Так, наличие горячей точки Реюньон привело к перескокам оси спрединга и отделению от материковой Индии микроконтинентов Сейшельского и Лакшми и частичному отделению Лаккадивского хребта [11] (рис. 6).
|| J
Рис. 6. Эксперимент 1997. Формирование в модели узких линейно вытянутых континентальных микроблоков. (а)-(в) - стадии эксперимента, внизу их дешифрирование. 1 - континентальная модельная плита, 2 - вновь образованная модельная литосфера, 3 - проекция горячей точки на поверхность модельной литосферы, область подъёма расплава модельного вещества, 4 - блоки континентальной коры, частично или полностью отделённые от материка в результате перескока оси спрединга, 5 - разрезы в модельной континентальной литосфере, имитирующие структурные неоднородности, 6 - ось спрединга, 7 - депрессии, разделяющие аккреционные валы, 8 - сдвиговые и нетрансформные смещения, 9 - направление вращения блока, 10 - направление растяжения.
Fig. 6. Experiment 1997. Formation in the model of narrow linearly elongated continental microblocks: (a)-(b) - stages of the experiment, their interpretation below. 1 - continental model plate, 2 - newly formed model lithosphere, 3 - projection of the hot spot on the surface of the model lithosphere, the region of uplift of the model material melt, 4 - blocks of the continental crust partially or completely separated from the mainland as a result of a jump of the spreading axis, 5 - sections in the model continental lithosphere imitating structural heterogeneities, 6 - spreading axis, 7 - depressions separating accretion swells, 8 - shear and nontransform offsets, 9 - direction of block rotation, 10 -direction of stretching.
Деятельность горячей точки Кергелен привела к отделению от окраины восточной Индии микроконтинентов Зенит и Батавия. В Северной Атлантике Исландский плюм стимулировал перескок оси спрединга, приведший к прекращению спрединга на хребте Эгир, формированию нового спредингового хребта Кольбенсей на молодой окраине восточной Гренландии и отделению от неё микроконтинента Ян-Майен [7].
Особенности структурообразования в ранний период формирования континентальных окраин с гиперрастяжением. Физическое моделирование особенностей структурообразования на ранних этапах формирования континентальных окраин с гиперрастяжением коры было проведено на примерах сопряжённых окраин южной Австралии и Антарктиды, окраин Йемена и Сомали в Индийском океане, окраин Иберии и Ньюфаундленда в Северной Атлантике.
Разделение Австралии и Антарктиды началось с рифтогенного растяжения континентальной литосферы около 160 млн лет назад и продолжалось 80 млн лет [19]. Затем этап континентального рифтинга сменился периодом ультрамедленного и медленного спрединга с формированием протоокеанической коры, сложенной преимущественно серпентинизированными ультраосновными породами эксгумированной мантии, который продолжался около 45-40 млн лет, после чего установился стационарный режим спрединга со средними скоростями. Различные этапы океанического раскрытия отчётливо проявляются в изменении морфологии фундамента (кровли второго океанического слоя).
Для изучения образования и развития сопряжённых переходных зон Австралии и Антарктиды были проведены экспериментальные исследования [9], результаты которых наряду с анализом геолого-геофизических данных показали:
1. Первая стадия амагматического утонения при растяжении континентальной литосферы в эксперименте создавалась её искусственным утонением (рис. 7). Вторая стадия формирования протокоры, которая сопровождалась эксгумацией серпенти-низированной мантии, в модели воссоздавалась процессом очень медленного растяжения (ультрамедленный спрединг) и характеризовалась развитием расчленённого рельефа с широкими деформированными поднятиями с одной или обеих сторон континентальных окраин. Третья стадия характеризовалась увеличением скорости спрединга и формированием типичной океанической коры с менее расчленённым рельефом и более стабильной осью спрединга.
2. При наличии в модельной литосфере более прочного блока с относительно охлаждённой мантией (каковым в районе Австрало-Антарктического континента может служить кратон Моусон) в процессе рифтогенеза и последующего спрединга формировался сильно расчленённый рельеф. Отмечались частые перескоки рифтовой оси, что приводило к её смещениям по поперечным разломам и формированию асимметричного строения переходных зон.
3. В условиях растяжения литосферы, разделяемого периодами относительного покоя (в модели перерыв в растяжении и затем его возобновление), формировались высокоамплитудные линейные поднятия - амагматические хребты (рис. 7). Они являлись результатом деформации литосферы, которая становилась более толстой и прочной в период относительного покоя. Как правило, такие хребты формировались лишь на одной стороне из сопряжённых континентальных окраин, т. е. асимметрично, и редко располагались на обеих окраинах.
Подобную картину показало экспериментальное изучение структурообразования при переходе от рифтинга к спредингу в процессе формирования вышеописанных по-
Рис. 7. Эксперимент № 1647. Структурообразование при растяжении модельной литосферы с возрастающими скоростями [9]. (Пример формирования сопряжённых окраин Австралии и Антарктиды). Вверху: стадии эволюции А-Д, фото (вид сверху); Е - структурная схема стадии Д. 1 - действующая ось спрединга; 2 - зоны поперечных смещений; 3 - границы между аккреционными валами; 4 - континентальная литосфера; 5 - зона растяжения (утонения) континентальной литосферы; 6 - зона эксгумации мантии при ультрамедленной аккреции (протокора); 7 - зона медленного спрединга; 8 - зона стационарного наращивания океанической коры (средний спрединг); 9 - направление растяжения. Внизу: схематичный рельеф и разрез модельной литосферы по линии I-Г. Светлым цветом показан твёрдый слой модели, имитирующий литосферу, верхний (хрупкий) слой которой нарушен предполагаемыми сбросами; тёмным - жидкий расплав, имитирующий астеносферу.
Fig. 7. Experiment 1647. Formation of structures during stretching of the model lithosphere with increasing rates [9]. (An example of the formation of the conjugate margins of Australia and Antarctica). Above: stages of evolution A-D, photo (top view); E - block diagram of stage D. 1 - active spreading axis; 2 - zones of lateral displacements; 3 - boundaries between accretion swells; 4 -continental lithosphere; 5 - zone of extension (thinning) of the continental lithosphere; 6 - zone of exhumation of the mantle during ultraslow accretion (protocore); 7 - slow spreading zone; 8 - zone of stationary growth of the oceanic crust (intermediate spreading); 9 - direction of stretching. Bottom: schematic relief and section of the model lithosphere along the line I-I\ The solid layer of the model is shown in light color, imitating the lithosphere, the upper (brittle) layer of which is disturbed by the proposed faults; dark - liquid melt imitating the asthenosphere.
гружённых краевых плато Галиция и Флэмиш Кэп (рис. 5) на сопряжённых окраинах Иберии и Ньюфаундленда, характеризующихся гиперрастянутой континентальной корой. Таким образом, проведённое моделирование позволило определить условия формирования разных типов рельефа при переходе от континентального рифтинга к океаническому спредингу при изменяющихся скоростях растяжения и выявить разный характер структурообразования на каждом этапе развития сопряжённых континентальных окраин с гиперрастяжением коры.
Влияние структурных неоднородностей на морфоструктурный план рифта Аденского залива при его раскрытии. Были исследованы особенности тектонического строения бассейна Аденского залива, включающего три провинции, различающиеся по своему тектоническому строению: восточную, центральную и западную [13, 16]. Различие в морфоструктурной сегментации спредингового хребта Аденского залива отражает разный геодинамический режим формирования и этапы развития этих 496
провинций. Восточная провинция частично была сформирована на древней океанической литосфере, а частично на утонённой континентальной (рис. 8 г). С развитием этой провинции связано образование погружённого краевого плато и архипелага Сокотра, которые отделяются от Сомалийской плиты грабеном Гвардафуй.
Сегмент центральной провинции образовался после временной остановки продвигающейся рифтовой трещины в результате её столкновения со структурным барьером мезозойского грабена Джиза-Камар - Гвардафуй и последующего её смещения с образованием трансформного разлома Алула-Фартак [15]. Большое число трансформных разломов в пределах этой провинции говорит о приспособлении рифта к неод-нородностям на его пути. Западная провинция находится полностью под влиянием Афарского плюма с высоким уровнем прогрева мантии, который снижает мощность хрупкого слоя и прочность литосферы настолько, что становится невозможным формирование трансформных разломов, а формируются нетрансформные смещения.
Рис. 8. Эксперимент 1451. Моделирование центрального сегмента Аденского залива [4]. (а)-(в) - стадии эксперимента, внизу их дешифрирование. 1 - модельная плита; 2 - ослабленная зона (область прогрева рифта); 3 - вновь образованная модельная литосфера; 4 - направление растяжения; 5 - ось спрединга; 6 - отмершие оси спрединга, разделяющие поднятия; 7 - трансформные и нетрансформные смещения. (г) - провинции Аденского залива с различной морфо-структурной сегментацией спредингового хребта и историей развития (по [13] с упрощениями). 1 - спрединговый хребет; 2 - граница «континент-океан»; 3- разломные зоны; 4 - нормальные сбросы.
Fig. 8. Experiment 1451. Modeling the central segment of the Gulf of Aden [4]. (a)-(b) stages of the experiment, below their decryption. 1 - model plate; 2 - weakened zone (zone of warming up the rift); 3 - newly formed model lithosphere; 4 - direction of stretching; 5 - spreading axis; 6 - dead axes of spreading dividing uplifts; 7 - transform and nontransform offsets. (г) Provinces of the Gulf of Aden with different morphostructural segmentation of the spreading ridge and development history (after [13] with simplifications). 1 - spreading ridge; 2 - continent - ocean border; 3 - fracture zones; 4 - normal faults.
1 1 В.1 О 4 ^( ^ 7 ^ s j * . ГО -: if
Рис. 9. Эксперимент 1506. Образование микроблока при неровной границе «континент -океан»: (а)-(г) - стадии эксперимента, внизу их дешифрирование. 1 - более тонкая (океаническая) модельная плита; 2 - более толстая и прочная (континентальная) модельная плита; 3 - вновь образованная модельная литосфера; 4 - направление растяжения; 5 - разрезы в модельной литосфере; 6 - траектории продвигающихся из разрезов трещин; 7 - ось спрединга; 8 -отмершие оси спрединга, разделяющие поднятия; 9 - сдвиговые и нетрансформные смещения; 10 - области поднятия и опускания блока; 11 - направление вращения блока.
Fig. 9. Experiment 1506. Formation of a microblock at an uneven boundary "continent - ocean": (a)-(^ stages of the experiment, below their interpretation. 1 - thinner (oceanic) model plate; 2 -thicker and stronger (continental) model plate; 3 - newly formed model lithosphere; 4 - direction of stretching; 5 - sections in the model lithosphere; 6 - trajectories of cracks advancing from the sections; 7 - spreading axis; 8 - dead spreading axes dividing uplifts; 9 - shear and nontransform displacements; 10 - Areas for raising and lowering the unit; 11 - direction of block rotation.
С помощью экспериментов были исследованы особенности сегментации осевой зоны спрединга каждой из трёх провинций, а также условия формирования погружённого плато и о. Сокотра [4, 10]. Результаты показали, что характер морфоструктурной сегментации осевой зоны спрединга в регионе Аденского залива зависит от степени прогретости и толщины литосферы.
Исследование показало, что соединение континентального рифта Аденского залива с рифтовой зоной спредингового хребта Карлсберг, вероятно, осуществлялось посредством их продвижения навстречу друг другу. Эксперименты показали, что в
случае «резкой» границы между блоками разной толщины вероятнее всего возникнет сдвиговая зона [4]. В случае менее «резкой» границы часто формируются структуры перекрытия рифтовых зон. Микроплиты (или микроблоки), заключённые между двумя рифтами, испытывают значительные деформации (рис. 9). В дальнейшем один из рифтов отмирает, а в другом развивается спрединг. Таким микроблоком, видимо, является краевое плато и о. Сокотра. Как показало моделирование, при формировании плато и о. Сокотра важную роль играет встречное продвижение двух трещин. Причём существенную роль играет первоначальная геометрия трещин и их разнос относительно друг друга [10].
Использование результатов моделирования в образовательном процессе и учебно-экспозиционной работе. Как отмечалось выше, большое участие в работе лаборатории принимают студенты, магистранты и аспиранты кафедры динамической геологии геологического и кафедры геоморфологии и палеогеографии географического факультетов МГУ. Студенты, освоив метод физического моделирования в процессе своих учебно-производственных практик, проводят в лаборатории научные исследования, результаты которых являются экспериментальной основой их курсовых и дипломных проектов. Как следствие, они вносят свой вклад в получение новых знаний и являются полноправными соавторами научных публикаций.
Результаты экспериментов регулярно докладываются на международных и всероссийских конференциях, публикуются в ведущих научных журналах.
Экспериментальные результаты, полученные в лаборатории, реализуются в учебном процессе в виде лекционных и практических занятий и внедряются в экспозицию научно-учебного Музея землеведения.
За последние пять лет прослушали лекции по физическому моделированию и познакомились с работой лаборатории более 100 студентов и магистрантов. За этот же период по результатам экспериментальных исследований были подготовлены и успешно защищены 16 курсовых, 15 дипломных и магистерских работ.
Экспериментальные исследования, представленные в данной работе, выполнялась при поддержке Российского научного фонда (проект №16-17-10139) и РФФИ (проекты №15-05-03486 и № 18-05-00378).
ЛИТЕРАТУРА
1. Грохольский А.Л., Дубинин Е.П. Аналоговое моделирование структурообразующих деформаций литосферы в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов // Геотектоника. 2006. № 1. С. 76-94.
2. Грохольский А.Л., Дубинин Е. П., Севинян К.Т., Галушкин Ю.И. Экспериментальное моделирование взаимодействия горячей точки и спредингового хребта (на примере Юго-Восточного Индийского хребта) // Жизнь Земли. 2012. Вып. 34. С. 24-35.
3. Грохольский А.Л., Дубинин Е.П., Семёнов Е.П. Тридцать пять лет лаборатории экспериментальной геодинамики Музея землеведения МГУ // Жизнь Земли. 2015. Вып. 37. С. 181-195.
4. Грохольский А.Л., Дубинин Е.П., Щербакова Е.Л. Влияние структурных неоднородностей на геометрию рифтовой трещины при раскрытии Аденского залива (физическое моделирование) // Жизнь Земли. 2019. Т. 41. № 2. С. 124-137.
5. Дубинин Е.П., Кохан А.В., Тетерин Д.Е., Грохольский А.Л., Курбатова Е.С., Сущевская Н.М. Тектоническое строение и типы рифтогенных бассейнов моря Скотия, Южная Атлантика // Геотектоника. 2016. № 1. С. 41-61.
6. Дубинин Е.П., Галушкин Ю.И., Грохольский А.Л., Кохан А.В., Сущевская Н.М. Горячие и холодные зоны Юго-Восточного Индийского хребта и их влияние на особенности его строения и магматизма (численное и физическое моделирование) // Геотектоника. 2017. № 3. С. 1-24.
7. Дубинин Е.П. // Океанология. 2018. Т. 58. № 3. С. 435-446 DOI: 10.1134/S0001437018030062.
8. Дубинин Е.П., Грохольский А.Л., Макушкина А.И. Физическое моделирование условий образования микроконтинентов и краевых плато континентальных окраин // Физика Земли. 2018. № 1. С. 69-82.
9. Дубинин Е.П., Лейченков Г.Л., Грохольский А.Л., Сергеева В.М., Агранов Г.Д. Изучение особенностей структурообразования в ранний период разделения Австралии и Антарктиды на основе физического моделирования // Физика Земли. 2019. № 2. С. 76-91.
10. Дубинин Е.П., Лукашов А.А., Грохольский А.Л., Филаретова А.Н., Щербакова Е.Л. Строение и условия образования краевого плато и острова Сокотра (физическое моделирование). Ч. 1. Строение острова Сокотра // Вестник КРАУНЦ. 2019. Т. 44, № 4. С. 63-72.
11. Дубинин Е.П., Барановский М.С., Грохольский А.Л., Филаретова А.Н. Влияние горячей точки Реюньон на формирование погружённых хребтов и микроконтинентов вблизи западной окраины Индии (физическое моделирование) // Жизнь Земли. 2019. Т. 41, № 4. С. 374-386.
12. Шеменда А.И. Критерии подобия при механическом моделировании тектонических процессов // Геология и геофизика. 1983. № 10. С. 10-19.
13. Bellahsen N., Leroy S., Autin J. et al. Pre-existing oblique transfer zones and transfer/transform relationships in continental margins: New insights from the southeastern Gulf of Aden, Socotra Island, Yemen // Tectonophysics. 2013. V. 607. Р. 32-50.
14. DeMets C., Gordon R., Argus D. Geologically current plate motions // Geophys. J. Int. 2010. V. 181. P. 1-80.
15. Fournier M. et al. Arabia-Somalia plate kinematics, evolution of the Aden-OwenCarlsberg triple junction, and opening of the Gulf of Aden // JGR. 2010. V. 115(B4). B04102. D0I:10.1029/2008JB006257.
16. Leroy S. et al. Contrasted styles of rifting in the eastern Gulf of Aden: a combined wide-angle, multichannel seismic, and heat flow survey // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2010. 11 (Q07004). Р. 1-14 (http://dx.doi.org/10.1029/2009GC002963).
17. Shemenda A.I., Grokholsky A.L. A formation and evolution of overlapping spreading centers (constrained on the basis of physical modeling) // Tectonophys. 1991 V. 199. P. 389-404.
18. Shemenda A.I., Grocholsky A.L. Physical modeling of slow seafloor spreading // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. P. 9137-9153.
19. StaggH. M. J., Colwell J. B., Direen N. G., O'Brien P. E., Brown B. J., Bernardel G., Borissova I., Carson L., Close D.B. Geological framework of the continental margin in the region of the Australian Antarctic Territory // Geoscience Australia. Record. 2005. V. 2004/25.
20. Verard C., Flores K., Stampfli G. Geodynamic reconstructions ofthe South America-Antarctica plate system // J. of Geodynamics. 2012. V. 53. P. 43-60.
REFERENCES
1. Grokholsky A.L., Dubinin E.P. Analog modeling of structure-forming deformations of the lithosphere in rift zones of mid-ocean ridges. Geotectonics. 1, 76-94 (2006) (in Russian).
2. Grokholsky A.L., Dubinin E.P., Sevinian K.T., Galushkin Yu I. Experimental modeling of the interaction between a hot spot and a spreading ridge (on the example of the South-Eastern Indian ridge). Zhizn Zemli. 34, 24-35 (2012) (in Russian).
3. Grokholsky A.L., Dubinin E.P., Semenov E.P. Thirty-five years of the laboratory of experimental geodynamics of the Moscow state University Museum of earth science. Zhizn Zemli. 37, 181-195 (2015) (in Russian).
4. Grokholsky A.L., Dubinin E.P., Shherbakova E.L. Influence of structural inhomogeneities on the rift crack geometry during the opening of the Gulf of Aden (physical modeling). Zhizn Zemli. 41(2), 124-137 (2019) (in Russian).
5. Dubinin E.P., Kokhan A.V., Teterin D.E., Grokhol'sky A.L., Kurbatova E.S., Sushchevskaya N.M. Tectonics and types of riftogenic basins of the Scotia Sea, South Athlantic. Geotectonics. 1, 41-61 (2016) (in Russian).
6. Dubinin E.P., Galushkin Yu I., Grokholsky A.L., Kokhan A.V., Sushchevskaya N.M. Hot and cold zones of the Southeast Indian Ridge and their ifluence on the peculiarities of its structure and magmatism (Numerical and physical modelling). Geotectonics. 3, 1-24 (2017) (in Russian).
7. Dubinin E.P. Geodynamic Setting of the Formation of Microcontinents, Submerged Plateaus, and Nonvolcanic Islands within Continental Margins. Oceanology. 58 (3), 435-446 (2018). DOI: 10.1134/S0001437018030062 (in Russian).
8. Dubinin E.P., Grokholsky A.L., Makushkina A.I. Physical modeling of the formation conditions of microcontinents and continental marginal plateaus. Fizika Zemli. 1, 69-82 (2018) (in Russian).
9. Dubinin E.P., Litchenkov G.L., Grokholsky A.L., Sergeeva V.L., Agranov G.D. Structure-Forming Peculiarities at the Early Stage of Antarctic-Australia Separation Based on Physical Modeling. Fizika Zemli. 2, 76-91 (2019) (in Russian).
10. Dubinin E.P., Lukashov А.А., Grokholsky A.L., Filaretova А.Н., Shcherbakova E.L. Structure and conditions of formation of the regional plateau and Socotra island (physical modeling). Part 1. The structure of the island of Socotra. Vestnik KRAUNCz. 44(4), 63-72 (2019) (in Russian).
11. Dubinin E.P., Baranovskij M.S., Grokholsky A.L., Filaretova А.Н., Influence of the reunion hotspot on the formation of submerged ridges and microcontinents near the Western edge of India (physical modeling). Zhizn Zemli. 41(4), 374-386 (2019) (in Russian).
12. Shemenda A.I. Similarity criteria for mechanical modeling of tectonic processes. Geologiya i geofizika. 10, 10-19 (1983) (in Russian).
13. Bellahsen N., Leroy S., Autin J. et al. Pre-existing oblique transfer zones and transfer/transform relationships in continental margins: New insights from the southeastern Gulf of Aden, Socotra Island, Yemen. Tectonophysics. 607, 32-50 (2013).
14. DeMets C., Gordon R., Argus D. Geologically current plate motions. Geophys. J. Int. 181, 1-80 (2010).
15. Fournier M. et al. Arabia-Somalia plate kinematics, evolution ofthe Aden-Owen-Carlsberg triple junction, and opening of the Gulf of Aden. JGR. 115(B4). B04102 (2010). D0I:10.1029/2008JB006257.
16. Leroy S. et al. Contrasted styles of rifting in the eastern Gulf of Aden: a combined wide-angle, multichannel seismic, and heat flow survey. Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 11 (Q07004), 1-14 (2010) (http://dx.doi.org/10.1029/2009GC002963).
17. Shemenda A.I., Grokholsky A.L. A formation and evolution of overlapping spreading centers (constrained on the basis of physical modeling. Tectonophys. 199, 389-404 (1991).
18. Shemenda A.I., Grocholsky A.L. Physical modeling of slow seafloor spreading. J. Geophys. Res. 99, 9137-9153(1994).
19. Stagg H.M.J., Colwell J.B., Direen N. G., O'Brien P.E., Brown B.J., Bernardel G., Borissova I., Carson L., Close D.B. Geological framework of the continental margin in the region of the Australian Antarctic Territory. Geoscience Australia. Record. 2004/25 (2005).
20. Verard C., Flores K., Stampfli G. Geodynamic reconstructions of the South America-Antarctica plate system. J. of Geodynamics. 53, 43-60 (2012).
