CC BY
48
Геология
Вестник ДВО РАН. 2016. № 5
УДК 550.834.32:550.831.015.072(571.645) З.Н. ПРОШКИНА
О глубинном строении
зоны разрушения хребта Витязя
(Центральные Курилы)
На основе комплексных геолого-геофизических данных, полученных в экспедиционных исследованиях ТОИ ДВО РАН и ИО РАН в 2005—2010 гг., излагаются основные черты глубинного строения подводного хр. Витязя в районе Центральных Курил. Построена карта мощности земной коры этого района и плотностная глубинная модель зоны разрушения хребта. Представленные материалы иллюстрируют почти полное разрушение хр. Витязя и подъем мантии в пределах зоны разрушения, что может свидетельствовать о взаимосвязи формирования указанной зоны с глубинными динамическими процессами.
Ключевые слова: подводный хребет Витязя, глубинное строение, карта мощности земной коры, плотност-ное моделирование.
On the deep structure of the Vityaz Ridge destruction zone (Central Kuriles). Z.N. PROSHKINA (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
The article presents the main features of the deep .structure of the underwater Vityaz Ridge in the Central Kurils based on the integrated geological and geophysical data obtained infield research of the Pacific Oceanological Institute, FEB RAS in 2005—2010. The map of crustal thickness and density model of the destruction zone of the ridge are presented. Presented data illustrate almost total destruction of the Vityaz Ridge and the rise of the mantle within the destruction zone. It can indicate the relationship of the formation of this zone with the deep dynamic processes.
Key words: the underwater Vityaz Ridge, the deep structure, map of crustal thickness, density modeling.
Как известно, Курило-Камчатская островодужная система представляет собой внешнее проявление конвергенции двух крупнейших тектонических плит: Тихоокеанской и Евроазиатской. Этот регион, с одной стороны, является прекрасной природной лабораторией, изучение которой дает важнейшую информацию для понимания источников и механизмов формирования геологических структур различного типа, с другой - это источник природных катастроф, вызванных вулканической деятельностью, сильными землетрясениями и цунами. Все это явилось причиной длительного многостороннего исследования Курило-Камчатской островодужной системы, а отличие центрального звена от остальной части Курильской островодужной системы обнаружилось еще на ранних этапах ее изучения [2, 4, 16].
Так, в 60-е годы прошлого столетия Г.М. Власов обратил внимание на повышенную сложность морфологии дна и значительное погружение центральной части подводного хр. Витязя, протягивающегося параллельно островной дуге в пределах ее океанского склона. По мнению этого автора, данные особенности возникли как результат неотектонических процессов [3]. В дальнейшем К.Ф. Сергеев отметил отличие центрального звена островного поднятия от его флангов и по вещественному признаку [16].
ПРОШКИНА Зоя Николаевна - ведущий инженер (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток). E-mail: pro-zo@yandex.ru
Геофизические работы, начатые здесь в конце 50-х - начале 60-х годов ХХ в. в рамках Международного геофизического года и проекта «Верхняя мантия Земли и ее влияние на развитие земной коры» (http://www.cnshb.ru/AKDiL/0042/base/RP/014742.shtm), дали первые представления о глубинном строении этого района и позволили также обнаружить различия между центральным звеном Курил и его флангами по характеру геофизических полей, мощности, внутреннему строению земной коры и верхней мантии [4, 7, 9]. Наконец указанный район был выделен и по сейсмологическим характеристикам. На фоне общей сейсмоактивной обстановки Курило-Камчатской островодужной системы в его пределах было отмечено долговременное отсутствие сильнейших землетрясений. По этому признаку данный район впервые был обособлен в работах С.А. Федотова [17] с введением понятия «сейсмическая брешь».
В последующие годы изучение рассматриваемого района сейсмическими методами было продолжено СахКНИИ ДВНЦ АН СССР, затем ИМГиГ ДВО РАН. В частности, в 1983-1984 гг. в районе о-ва Симушир были выполнены комплексные сейсмические исследования методами глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ), корреляционного метода преломленных волн (КМПВ), методом отраженных волн (МОВ) и непрерывным сейсмическим профилированием (НСП). Важнейшим их результатом стала отработка двух протяженных профилей ГСЗ, один из которых был ориентирован вдоль островной гряды, а другой - вкрест ее простирания (рис. 1).
Рис. 1. Положение профилей ГСЗ, выполненных в 1983-1984 гг. (пр. 1, пр. 2), и профиля, вдоль которого выполнено плотностное моделирование земной коры (пр. 3, рис. 4). Зона наиболее интенсивной деструкции ограничена пунктирными линиями
По итогам этих работ была определена мощность и основные черты скоростной структуры земной коры на участке от Курильской котловины до Курило-Камчатского желоба [1, 5, 7]. Результаты этих работ с частичной переинтерпретацией первичных данных в последующие годы [8, 9] до сих пор являются единственным источником информации о скоростной характеристике земной коры в районе Центральных Курил.
Длительное время все отмеченные особенности района Центральных Курил не находили системного объяснения.
В 2005 г. ТОИ ДВО РАН и ИО РАН положили начало новому этапу исследований этого района, организовав экспедицию на НИС «Академик М. Лаврентьев» (рейс № 37, начальник экспедиции Р.Г. Кулинич), сосредоточив детальные геолого-геофизические работы на океанском склоне Курильской гряды, где основными морфоструктурами являются уже упомянутый подводный хр. Витязя и прогиб, отделяющий его от Курильских островов.
Основной целью этих исследований было изучение тектонического каркаса, блоковой делимости и оценка сейсмогенного потенциала этого района, где происходит накопление геодинамических напряжений и возможна их реализация в виде сильнейших землетрясений и цунами [14]. В комплекс исследований вошли непрерывное сейсмическое профилирование, гравиметрия и магнитометрия, геологическое опробование донных осадков и горных пород для идентификации акустического фундамента и источников геофизических аномалий, фиксируемых в процессе экспедиционных работ.
Выполненные исследования раскрыли гораздо более сложную структурно-тектоническую ситуацию в «сейсмической бреши», чем это представлялось до настоящего времени. По совокупности полученных данных было выявлено, что исследованный район представляет собой зону активного растяжения и деструкции центрального звена Курильской островной дуги [11-14]. В ее пределах была определена блоковая структура фундамента и обнаружены молодые вулканогенные комплексы, формирование которых происходило в течение всего кайнозоя. Это существенно изменило взгляд на формирование этого хребта, ранее считавшегося фронтальной невулканической дугой в общей системе дуга-желоб.
По полученным данным подводный хр. Витязя указанной зоной разорван на два сегмента. Междуговой прогиб, разделяющий хр. Витязя и Курильскую гряду, как единая отрицательная структура не существует. Рассматриваемой зоной он разбивается на два сектора [12]. По совокупности всех тектоно-магматических характеристик эта зона отнесена к рифтогенным наложенным структурам [12, 14].
По внутреннему строению указанная зона представляет собой сложно устроенный асимметричный грабен с последовательным блоковым опусканием фундамента в юго-западном направлении от о-ва Парамушир до о-ва Уруп. Юго-западной границей указанной зоны служит тектоническая система прол. Буссоль, ориентированная в ЮВ-СЗ направлении. Северо-восточная граница имеет сложную конфигурацию и в целом простирается в субмеридиональном направлении. Обе границы имеют тектоническую природу и образованы серией разломов сбросового характера [14].
Внутреннее строение зоны деструкции осложнено горсто-грабеновыми структурами более высокого порядка (рис. 2).
В дальнейшем здесь было выполнено еще две экспедиции на НИС «Академик М. Лаврентьев»: в 2006 г. (рейс № 41, начальник экспедиции к.ф.-м.н. Б.Я. Карп) и в 2010 г. (рейс № 52, начальник экспедиции к.г.-м.н. М.Г. Валитов). Основной их целью была детализация структурно-тектонического каркаса выделенной деструктивной зоны и ее периферии; детальное изучение выявленных ранее вулканогенных комплексов (вещественный состав, возраст, условия формирования и ареал распространения); выяснение общих пределов развития зоны деструкции вдоль ее простирания - как в направлении тыловой части Курильской гряды, так и в сторону океана.
На основе обобщения результатов, полученных за весь период исследований, построены уточненные карты гравитационных и магнитных аномалий, а также карты мощности
Рис. 2. Зона разрушения хребта Витязя по данным НСП [14]
осадочных отложений и рельефа акустического фундамента, структурная схема и геологическая карта; рассчитаны сейсмоплотностные модели земной коры изученного района; установлена пространственная связь произошедших здесь сильнейших Симуширских землетрясений 2006-2009 гг. с тектоническими границами скрытых блоков фундамента, выявленных по геофизическим работам [11-14].
Вышеперечисленные данные создают достаточно полную картину структурно-тектонического облика выявленной зоны деструкции океанского склона Курильской гряды, однако освещение ее глубинного строения остается, на наш взгляд, недостаточным, хотя и очень важным для правильного понимания причин и условий ее происхождения. Целью настоящей статьи является хотя бы частично восполнить этот пробел.
Исходные материалы и методы исследований
Основными характеристиками глубинного строения изучаемого района можно считать мощность, структуру и вещественный состав земной коры, определяющие ее тип. Кроме этого, хорошей иллюстрацией глубинного облика данного объекта является глубинный геофизический профиль (скоростной или плотностной). На основе имеющихся в нашем распоряжении геофизических материалов возможно построение карты мощности и сейсмогравитационной (плотностной) модели земной коры исследуемого района. Ниже излагаются результаты реализации такого подхода.
Для построения карты мощности земной коры использована совокупность сейсмических и гравиметрических данных. При этом основной объем определений глубины залегания поверхности Мохо сделан по гравиметрическим данным с применением статистической зависимости мощности коры от величины осредненных гравитационных аномалий, мощности донных осадков и глубины морского дна. Данные глубинного сейсмического зондирования, полученные в предыдущие годы [2, 5-7, 15] использовались в качестве реперных значений, контролирующих указанные расчеты. Расчеты сделаны только для акваториальной площади исследований, их результаты не распространяются на острова.
Плотностная модель земной коры рассчитана по линии, ориентированной вкрест простирания деструктивной зоны хр. Витязя (см. рис. 1). Исходным материалом послужили результаты морской гравиметрии, выполненной в экспедициях НИС «Академик М. Лаврентьев» в 2005-2010 гг. В качестве опоры для плотностного моделирования использованы результаты сейсмических исследований прошлых лет (СахКНИИ, Севморгео) [6, 15]. Моделирование выполнялось в 2D-варианте в интерактивном режиме с помощью программы, разработанной в лаборатории гравиметрии ТОИ ДВО РАН [10].
Результаты и выводы
Полученные карта мощности и плотностная модель земной коры дают наглядное представление о глубинных «корнях» исследуемой зоны как по площади, так и в разрезе.
Не обсуждая поведение рельефа поверхности Мохо за пределами Курильской гряды, отметим его особенности под акваторией исследуемого района (рис. 3).
Рис. 3. Карта изоглубин поверхности Мохо центральной части Курильской островной дуги. Зона наиболее интенсивной деструкции ограничена пунктирными линиями с бергштрихами. КЖ - ось Курило-Камчатского желоба
Для площади, примыкающей к Курильской островной гряде и включающей подводный хр. Витязя, общим фоном является повышенная мощность коры, объединяющая все эти морфоструктуры на уровне 22 км. В непосредственной близости к островам и над апикальной частью хребта мощность коры фрагментарно увеличивается до 24 км и выше. Фрагментарность наименее проявлена в районе Малой Курильской дуги, начиная от о-ва Уруп и далее на юго-запад. Все, что располагается северо-восточнее этого района, характеризуется значительно более сложным рисунком рельефа Мохо.
На этом фоне достаточно отчетливо выделяется вышеописанная деструктивная зона. В рельефе Мохо она проявилась уменьшением глубины ее залегания до 16-18 км, соответствующим подъемом мантийных масс и полным отсутствием признаков существования хр. Витязя. Мощность коры увеличивается до общего уровня лишь по мере приближения к о-ву Симушир.
Приведенные данные свидетельствуют, что существование описанной зоны отразилось в перераспределении глубинных коровых и мантийных масс. Это может означать, что ее формирование связано с глубинными геодинамическими процессами, причина возникновения которых в такой локальной области требует дополнительных исследований.
На рис. 4 показана плотностная модель земной коры в пределах зоны разрушения хр. Витязя. Модель отчетливо иллюстрирует особенности глубинного профиля зоны. Как
Рис. 4. Плотностная модель земной коры зоны разрушения подводного хр. Витязя. 1 - мантия, 2 - нижняя кора, «базальтовый слой», 3 - верхняя кора, «гранитный слой», 4 - предполагаемые базитовые интрузии, 5 - осадки. Цифрами обозначены значения плотностей (г/см3). Вверху график наблюденного аномального гравитационного поля, точками обозначены расчетные значения аномалий гравитационного поля
видно из рисунка, на траверзе о-ва Симушир произошло практически полное разрушение хр. Витязя. Кроме того, модель подтверждает сокращение мощности коры и соответствующий подъем мантийных масс под зоной разрушения, который обозначился на вышеприведенной карте изоглубин поверхности Мохо.
Таким образом, выполненное нами исследование, дополняя ранее проведенные геолого-геофизические работы, позволяет сделать вывод, что обнаруженная зона деструкции в районе Центральных Курил привела к активному разрушению подводного хр. Витязя и междугового прогиба, отделяющего его от Большой Курильской гряды. Фиксируемый здесь подъем верхней мантии и сокращение мощности земной коры являются признаками возможной взаимосвязи рифтогенных деструктивных процессов в земной коре с глубинными геодинамическими процессами. Сейсмические события 2006-2009 гг., приуроченные к этой зоне и закрывшие «сейсмическую брешь», могут быть следствием этих процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аносов Г.И., Аргентов В.В., Петров А.В., Злобин Т.К. и др. Новые сейсмические данные о строении земной коры Центрального звена Курило-Камчатской островной дуги // Тихоокеан. геология. 1988. № 1. С. 10-18.
2. Вейцман П.С., Гальперин Е.И., Зверев. С.М., Косминская И.П., Кракшина Р.М., Михота Г.Г., Тулина Ю.В. Некоторые результаты изучения строения земной коры в области Курильской островной дуги и прилегающих участков Тихого океана по данным глубинного сейсмического зондирования // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1961. № 1. С. 81-86.
3. Власов Г.М. Геоморфология Курильских островов // Геология СССР. Т. 31. Камчатка, Курильские и Командорские острова, ч. 1. М.: Недра, 1964. С. 621-624.
4. Гайнанов А.Г., Павлов Ю.А., Строев П.А., Сычев П.М., Туезов И.К. Аномальные гравитационные поля дальневосточных окраинных морей и прилегающей части Тихого океана. Новосибирск: Наука, 1974. 108 с.
5. Злобин Т.К., Пискунов Б.Н., Фролова Т.И. Новые данные о строении земной коры центральной части Курильской островной дуги // Докл. АН СССР. 1987. Т. 293, № 2. С. 185-188.
6. Злобин Т.К. Первые результаты сопоставления катастрофических Симуширских землетрясений 15 ноября 2006 г. (М = 8,3) и 13 января 2007 г. и глубинного строения земной коры Центральных Курил // Докл. АН. 2008. Т. 420, № 1. С. 111-115.
7. Злобин Т.К. Строение земной коры и верхней мантии Курильской островной дуги (по сейсмическим данным). Владивосток: ДВНЦ АН СССР. 1987. 150 с.
8. Злобин Т.К., Злобина Л.М. Строение земной коры Курильской островной системы // Тихоокеан. геология. 1991. № 6. С 24-35.
9. Злобин Т.К., Костюкевич С.А., Злобина Л.М. Структура земной коры средних Курил по данным сейсмического моделирования // Тихоокеан. геология. 1998. Т. 17, № 2. С. 115-121.
10. Колпащикова Т.Н. Программа моделирования магнитного, гравитационного полей и некоторых их производных: а. с. Росс. Федерация № 200761354; заявл. 25.06.07; опубл. 21.08.07, Бюл. Программы для ЭВМ, базы данных, № 3.
11. Кулинич Р.Г, Валитов М.Г., Прошкина З.Н. Геофизические поля, блоковая структура и сейсмическая активность Центральных Курил // Тихоокеан. геология. 2012. Т. 31, № 6. С. 35-43.
12. Кулинич Р.Г., Карп Б.Я., Баранов Б.В. и др. О структурно-геологической характеристике «сейсмической бреши» в центральной части Курильской островной гряды // Тихоокеан. геология. 2007. Т. 26, № 1. С. 5-19.
13. Кулинич Р.Г, Валитов М.Г, Прошкина З.Н. Сравнительный анализ сейсмических и плотностных моделей земной коры Центральных Курил // Тихоокеан. геология. 2015. Т. 34, № 6. С. 45-56.
14. Лаверов Н.П., Лаппо С.С., Лобковский Л.И., Баранов Б.В., Кулинич Р.Г, Карп Б.Я. Центрально-Курильская «брешь»: строение и сейсмический потенциал // Докл. АН. 2006. Т. 408, № 6. С. 1-4.
15. Сакулина Т.С., Каленич А.П., Атаков А.И и др. Геологическая модель Охотоморского региона по данным опорных профилей 1-ОМ и 2-ДВ-М // Разведка и охрана недр. 2011. № 10. С. 11-17.
16. Сергеев К.Ф. Тектоника Курильской островной системы. М.: Наука, 1976. 239 с.
17. Федотов С.А. О закономерностях распределения сильных землетрясений Камчатки, Курильских островов и северо-восточной Японии // Труды ИФЗ АН СССР. 1965. № 36. С. 66-93.
