CC BY
11
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕОСФЕР
УДК 551.242
DOI 10.29003/m3023.0514-7468.2022_44_2/136-149
УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР МОЗАМБИКСКОГО БАССЕЙНА (ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ)
А.И. Чупахина, Е.П. Дубинин, А.Л. Грохольский*
На основе результатов физического моделирования рассмотрены условия формирования Мозамбикского хребта и поднятия Бейра, сформированных в процессе раскрытия Мозамбикского бассейна. Мозамбикский хребет представляет собой серию блоковых поднятий, возвышающихся до 3500 м над морским дном. Одна из наиболее вероятных гипотез происхождения хребта предполагает его частичное отделение от окраины Африканского континента в результате плюмовой активности. Современные исследования показывают, что северо-восточная часть хребта сложена утонённой континентальной корой, перекрытой осадочным чехлом, в то время как для его южной части характерно большое количество экструзивных центров, свидетельствующих о повышенной магматической активности. Экспериментальные исследования показали, что формирование Мозамбикского хребта произошло в условиях раскола Афри-кано-Антарктического материка при наличии структурных неоднородностей в литосфере Африканского континента и влиянии горячей точки. Поднятие Бейра представляет собой континентальный блок, который был отделён от Антарктиды при расколе Гондваны.
Ключевые слова: Мозамбикский хребет, Бейра, спрединг, рельеф дна, физическое моделирование, структурообразование.
Ссылка для цитирования: Чупахина А.И., Дубинин Е.П., Грохольский А.Л. Условия формирования Мозамбикского бассейна (физическое моделирование) // Жизнь Земли. Т. 44, № 2. С. 136-149. DOI: 10.29003/m3023.0514-7468.2022_44_2/136-149.
Поступила 09.05.2022 / Принята к публикации 11.05.2022
* Чупахина Анастасия Ильинична - магистрант Геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, лаборант сектора геодинамики Музея землеведения МГУ, anastasia.tolstova@student.msu.ru; Дубинин Евгений Павлович - д.г.-м.н., зав. сектором Музея землеведения, edubinin08@rumbler.ru; Грохольский Андрей Львович - к.г.н., в.н.с. Музея землеведения МГУ, andregro@mail.ru.
136
Жизнь Земли 44(2) 2022 136-149
CONDITIONS FOR THE FORMATION OF THE STRUCTURES OF THE MOZAMBIQUE BASIN (PHYSICAL MODELING)
A.I. Chupakhina12, E.P. Dubinin2, A.L. Grokholsky2
1 Lomonosov Moscow State University, Department of Geology
2 Lomonosov Moscow State University, Earth Science Museum
Based on the results of physical modeling, the conditions of formation of the Mozambique Ridge and the Beira High, formed during the opening of the Mozambique Basin, are considered. The Mozambique Ridge is a series of blocky uplifts rising up to 3500 m above the seafloor. One of the most probable hypotheses of the ridge origin suggests its partial separation from the margin of the African continent as a result of plume activity. Modern studies show that the northeastern part of the ridge is composed of thinned continental crust overlain by sedimentary cover, while its southern part is characterized by a large number of extrusive centers, indicating increased magmatic activity. Experimental studies have shown that the formation of the Mozambique Ridge occurred under the conditions of the African-Antarctic continental rift with the presence of structural heterogeneities in the lithosphere of the African continent and the influence of a hot spot. The Beira High is a continental block that was separated from Antarctica during the split of Gondwana.
Keywords: Mozambique ridge, Beira High, bottom relief, physical modeling, structure formation.
For citation: Chupakhina, A.I., Dubinin, E.P., Grokholsky, A.L., "Conditions for the Formation of the Structures of the Mozambique Basin (Physical Modelling)," Zhizn Zemli [Life of the Earth], 2022, 44 (2), 136-149 (in Russ., abstract in Engl.). DOI: 10.29003/m3023.0514-7468.2022_44_2/136-149
Введение. Работа посвящена выявлению условий формирования Мозамбикского хребта и поднятия Бейра, расположенных в Мозамбикском бассейне в юго-западной части Индийского океана. Мозамбикский бассейн характеризуется неоднородной морфологией рельефа морского дна: глубоководные районы сменяются вулканическими подводными горами и атоллами, такими как Бассас-да-Индия и Иль-Европа. Формирование структур Мозамбикского хребта и поднятия Бейра связано с эволюцией раскрытия Мозамбикского бассейна при распаде Гондваны. Мозамбикский хребет располагается между мезо-кайнозойскими океаническими бассейнами Наталь и Мозамбикским (рис. 1). Хребет представляет собой серию блоковых поднятий, возвышающихся до 3500-4000 м над дном прилегающей котловины, расположенным на глубине около 5000 м [1]. Происхождение Мозамбикского хребта до сих пор остаётся дискуссионным. Одна из наиболее вероятных гипотез предполагает его частичное отделение от окраины Африканского материка в результате деятельности плюма Кару. Современные исследования показывают, что северная часть хребта представляет собой утонённую континентальную кору, покрытую осадочным чехлом, в то время как для его южной части характерно большое количество экструзивных центров, свидетельствующих о повышенной магматической активности [2].
Поднятие Бейра морфологически представляет собой выступ фундамента, расположенный примерно в 70 км от побережья Африки. Эта структура имеет 300 км в длину и 120 км в ширину и ориентирована субпараллельно окраине континента (рис. 1). Данные сейсмических и гравиметрических исследований показывают, что поднятия Бейра является континентальным фрагментом, частично отделённым от крупных бло-
(а)
(б)
Рис. 1. Строение юго-западной части Индийского океана [3]: (а) - рельеф дна и прилегающей суши; (б) - схема расположения микроконтинентов и вулканических поднятий с предполагаемыми типами коры. 1 - океаническая, 2 - утонённая континентальная, 3 - континентальная, 4 - разломы, ЮЗИХ - Юго-Западный Индийский хребет.
Fig. 1. The structure of the southwestern part of the Indian Ocean [3]: (a) - the relief of the bottom and the adjacent land; (b) - the layout of microcontinents and volcanic uplifts with assumed types of crust. 1 - oceanic, 2 - thinned continental, 3 - continental, 4 - faults, South-Southwest Indian Ridge.
ков во время распада Гондваны в период первоначального континентального рифто-генеза при расколе Африканской и Антарктической плит.
С помощью метода физического моделирования проведены экспериментальные исследования по установлению условий формирования поднятия Бейра в результате первоначального раскрытия Мозамбикского бассейна и Мозамбикского хребта в результате его частичного отделения от Африканского континента под действием мантийного плюма.
Строение и происхождение Мозамбикского хребта. Мозамбикский хребет представляет собой вытянутую в субмеридиональном направлении структуру, простирающуюся почти параллельно береговой линии юго-восточной части Африки между 25° и 35° ю. ш. Хребет располагается между двумя океаническими бассейнами (рис. 1): раннемеловым бассейном Наталь, который связан с отделением блока Фолклендского плато от юго-восточной оконечности Африки и раскрытием юго-восточной части Атлантики, и верхнеюрским Мозамбикским бассейном, связанным с относительным перемещением Африки, Антарктиды, Мадагаскара и Индии.
Морфологически хребет представляет линейную структуру длиной около 1100 км и шириной 160 км на севере и 350 км на юге и является формальным продолжением Африканского континента. Наименьшая глубина составляет 1200 м, средняя глубина достигает 2900 м. Хребет состоит из трёх погружённых блоков (северный, центральный и юго-западный), разделённых долинами и депрессиями субширотного простирания [1]. С севера на юг 138
наблюдается заглубление бассейна Наталь, разделяющего Мозамбикский хребет и Африканский континент. В северной части бассейн выражен не так ярко, как на юге, его глубина составляет 1500-2000 м, в южной части глубина бассейна достигает максимальной отметки почти в 4000 м.
Исследования строения Мозамбикского хребта начались ещё в 1970-х гг. Тогда же были высказаны первые предположения о том, что Мозамбикский хребет сложен утонённой континентальной корой [4].
Позднее эта гипотеза была подтверждена другими исследователями [5, 6] на основании изучения образцов пород, отобранных со дна океана, которые имели сходство с архейскими породами Африканского кратона. Не исключена вероятность, что образцы драгированных метапелитов, гнейсов, анортозитов и метагаббро могли быть принесены течением вместе с ледниковыми отложениями Антарктики [1]. Среди драгированных пород было обнаружено свежее вулканическое стекло, которое, по мнению исследователей, могло быть связано с неотектонической и магматической активностью.
Веские доказательства вулканической природы хребта были получены в исследованиях Симпсона, который изучил толеитовые базальты мелового возраста. Геофизические, в частности, геомагнитные данные также подтвердили магматическое происхождение хребта [7]. Ряд исследователей предполагает, что Мозамбикский хребет является микроконтинентом, отделённым от африканского материка [8].
Современные исследования показывают, что северо-восточная часть хребта представляет собой утонённую континентальную кору, покрытую осадочным чехлом, в то время как для его южной части характерно значительное количество магматических проявлений [2]. Этот факт наряду с результатами сейсмических исследований [9] подтверждает возможность океанического происхождения южной части Мозамбикского хребта, которая имеет геохимическое сходство с плато, образованными под действием горячих точек в Южной Атлантике [1, 12].
Согласно тектоническим реконструкциям [2, 8], основанным на детальных магнитных аномалиях, Мозамбикский хребет был сформирован 135-125 млн лет назад в несколько этапов. Первоначально он начал формироваться на севере 135 млн лет назад и продолжал расти к юго-западу, где центральная область сформировалась в основном около 131 млн лет назад и этот процесс сопровождался вулканизмом, продолжавшимся до ~126 млн лет и сформировавшим юго-западный блок. Менее выраженное плато на юго-востоке могло быть сформировано ~125 млн лет. Согласно [7], имеется блок земной коры, расположенный восточнее северного блока, который отделён от основной части Мозамбикского хребта и может представлять собой континентальный фрагмент (микроконтинент), переместившийся в пределах океанической коры на начальных этапах рифтинга.
Несомненно, что на формирование и строение Мозамбикского хребта большое влияние оказала магматическая активность плюма Кару. Его активность могла инициировать перескок рифтовой оси из Мозамбикского бассейна в сторону молодой континентальной окраины восточной Африки и привести к частичному отделению от неё линейной структуры Мозамбикского хребта, сложенного утонённой континентальной корой, в значительной степени осложнённой плюмовым магматизмом.
Сложное гетерогенное строение литосферы Африкано-Антарктического блока Гон-дваны, состоящего из ряда кратонов, разделённых складчатыми поясами, предопределило геометрию заложения рифтовых зон (рис. 2). Каапвальский кратон состоит из архейского и палеопротерозойского ядра, окружён более молодыми аккретированными мезопротерозойскими и раннепротерозойскими орогенными поясами: Намакуа-Наталь и
Рис. 2. Геологическая карта юго-восточной части Африки (по [10]). Зоны заложения потенциальных рифтовых зон выбраны по зонам распространения вулканизма и расположению складчатых поясов: 1 - MZ-KZ рифты, 2 - вулканизм Кару, 3 - архейские и палеопротерозой-ские кратоны, 4 - архейский орогенный пояс, 5 - протерозойский пояс, 6 - палеопротерозой-ская кора, 7 - наложенные мезопротерозойские террейны, 8 - мезопротерозойские террейны, 9 - альпийский складчатый пояс, 10 - неопротерозойские террейны, или молодая кора, 11 -фанерозой, 12 - границы распространения плюма Кару-Мод и его предполагаемый центр [13].
Fig. 2. Geological map of the southeastern part of Africa (based on [12]). Locations of potential rift zones were selected based on the zones of volcanism and the location of folded belts: 1 - MZ-KZ rifts, 2 - Karoo volcanism, 3 - Archean and Paleoproterozoic cratons, 4 - Archean orogenic belt, 5 -Proterozoic belt, 6 - Paleoproterozoic crust, 7 - superimposed Mesoproterozoic terranes, 8 - Mesopro-terozoic terranes, 9 - Alpine folded belt, 10 - Neoproterozoic terranes or young crust, 11 - phanerozoic, 12 - the boundaries of the distribution of the Karoo-Mod plume and its supposed center [13].
Панафриканский пояса соответственно. Пояс Намакуа-Наталь был сформирован во время Намакуанской орогении в мезопротерозое (1235±9 и 1025±8 млн лет) [11]. Восточная часть пояса - пояс Наталь - состоит из магматических пород, сформированных между 1235-1025 млн лет. Основное коллизионное событие произошло здесь 1135 млн лет назад. В Антарктике одновременно произошла мезопротерозойская орогенная и магматическая активность, образовавшей пояс Мод, который датируется от 1171±25 до 1045±9 млн лет [11]. Наиболее вероятно существование в то время единого орогенного пояса Намакуа-На-таль-Мод.
Распад Гондваны, раскрытие юго-западной части Индийского океана и формирование Мозамбикского хребта, а также соседних бассейнов, по всей видимости, связано с деятельностью плюма Кару-Мод 190-178 млн лет назад [12]. В это время формировались рифтоген-ные бассейны вдоль ранее существовавших ослабленных зон в пределах континентальной коры, которые были локально активизированы и по которым реализовывались магматические проявления плюмовой деятельности. В позднеюрское время была сформирована крупная магматическая провинция. Эта магматическая провинция занимает площадь около 6х106 км2 и представляет собой одну из крупнейших магматических провинций в фанеро-зое, связанную с начальной фазой распада Гондваны. С проявлением основного магматизма
среднеюрского возраста (комплексы Кару) в юго-западной Африке соотносится первая фаза рифтогенеза Гондваны. Подъём обширного мантийного плюма Кару-Мод, который был внедрён под литосферой Гондваны, создал мощную термическую аномалию в верхней мантии размерами около 2000 км в диаметре [13], обеспечил проявление магматизма на окраине континентов Гондваны и начало рифтогенеза в этом районе. Мозамбикский хребет, находясь в центральной части провинции, мог также участвовать в перестройке зон раскрытия. Существует гипотеза, что под обширным вулканическим поднятием Мозамбикского хребта, которое образовалось в раннемеловое время, может скрываться одна из ветвей палеохребта, заложившая начало распада Гондваны ещё в средней юре [13].
Геологическое строение района и гетерогенность дораскольной коры предопределили начальные условия при подготовке экспериментальных моделей (рис. 2). Для определения параметров экспериментов нами были выбраны участки вероятного заложения рифтовых зон, связанные с границами кратонов, с расположением складчатых поясов, крупными внедрениями долеритовых даек и излияниями плюма Кару.
Строение и происхождение поднятия Бейра. Поднятие Бейра представляет собой континентальный блок, частично отколовшийся от Антарктической плиты около 157 млн лет назад. Поднятие Бейра является морфологически выдержанным выступом фундамента, расположенным примерно в 70 км от побережья Африканского континента. Интерпретация сейсмических данных показала, что под слоем осадков можно наблюдать положительную структуру блока (рис. 3). Поднятие Бейра имеет примерные размеры 300 км в длину и 120 км в ширину. Ориентировано поднятие по наиболее протяжённой оси субпараллельно Мозамбикской окраине.
По сейсмическим данным, поднятие Бейра у побережья мозамбикской окраины имеет континентальную природу, однако неоднозначным является время и механизм формирования. Внутренняя часть структуры поднятия состоит из растянутой, сильно интрузивной континентальной коры. Юго-восточная окраина поднятия Бейра, видимо, контактирует с нормальной океанической корой Мозамбикского бассейна.
Раннеюрский раскол Гондваны привёл к аккреции океанической коры, которая образует фундамент в основных частях Африканско-Антарктического коридора (ААК), частью которого является Мозамбикский бассейн.
До настоящего времени неоднозначной являлась природа прибрежной зоны Мозамбикской равнины, рядом с которой расположено поднятие Бейра. Однако существуют идентифицированные магнитные аномалии, свидетельствующие о том, что в начале раскола Гондваны могло происходить отделение поднятия Бейра от окраины Африки. Согласно современным кинематическим моделям, поднятие Бейра сначала двигалось вместе с Антарктической плитой и было частично отделено от Африканского континента, после чего спрединговая ось перескочила на сторону Антарктической плиты, оставив поднятие Бейра у Африканской окраины. Именно момент частичного отделения поднятия и датируется в 157 млн лет по данным линейных магнитных аномалий (хрона М38п2п). Выступ фундамента хорошо коррелируется с границами обоих континентов по результатам корреляции окраин на дораскольной картине. Стоит отметить наличие трансформных разломов, в частности, на восточной границе структуры, которые заложились в этой зоне в ходе ранней стадии рифтогенеза.
Физическое моделирование. Экспериментальное оборудование, модельное вещество, условия подобия и методики проведения экспериментов. С помощью физического моделирования исследовались условия формирования Мозамбикского хребта и структуры поднятия Бейра в процессе развития Мозамбикского бассейна.
Рис. 3. Строение структуры поднятия Бейра: (а) - батиметрическая карта [3], (б) - батиметрические профили, построенные по данным [18], (в) - строение коры по сейсмическим данным [12]. 1, 2, 3 - осадочный чехол, 4 - верхняя часть континентальной коры, 5 - нижняя часть континентальной коры, 6 - океаническая кора, 7 - субконтинентальная мантия, 8 - океаническая мантия, 9 - базальты, интрузия, SDR.
Fig. 3. The structure of the Beira High: (a) Bathymetric map [3], (b) profiles constructed according to [18], (c) the structure of the crust according to seismic data [12]. 1, 2, 3 - sedimentary cover, 4 - upper part of the continental crust, 5 - lower part of the continental crust, 6 - oceanic crust, 7 -subcontinental mantle, 8 - oceanic mantle, 9 - basalts, intrusion, SDR.
Моделирование проводилось на экспериментальной установке, которая представляет собой текстолитовую ванну (40x30x10 см). В верхних частях её боковых стенок расположены шлицы, по которым с помощью электромеханического привода движется рамка с поршнем. Равномерное температурное поле модельного вещества обеспечивают обогреватели, расположенные внутри установки. Электромеханический привод позволяет варьировать скорости деформации модельной плиты, а также изменять направление растяжения, создавая обстановки ортогонального, косого или неравномерного (с переменными скоростями) спрединга. Изменение длительности охлаждения обеспечивает различное соотношение толщины хрупко-пластичного слоя модельной литосферы [16].
Вещества, используемые в экспериментах, представляют собой коллоидные системы на основе жидких (минеральное масло) и твёрдых (церезин, парафин) углеводородов. Они обладают упруго-вязко-пластическими свойствами и обеспечивают выполнение подобия по пределу текучести на сдвиг. Меняя значения температуры, скорости деформации и процентное соотношения слагающих модельное вещество компонентов, можно добиваться различных свойств материала, отвечающих требованиям условий подобия [17].
Распределение температуры в литосфере рассчитывается по формуле остывающего полупространства: 142
T(z,t) = T0+(Tm-TQ)<t>(
> ,
Здесь Ф - функция вероятности, обладающая свойствами: Ф(у->^) 1.0 и Ф (у = 0.) = 0.; Т0 и Тт - температура на поверхности (комнатная) и в основании слоя соответственно; 2 - глубина, t - время остывания, к = к/(р • Ср) - термическая диффузия материала, к - его теплопроводность, р - плотность и Ср - теплоёмкость. Расчёты проводились для следующих значений параметров: к = 0.2451 Вт/м°К, р = 860 кг/м3, Ср = 1900 Дж/кг°К (т. е. к = 1.5х10-7 м2/сек), Т0 = 23°С и Тт = 43°С. Распределение прочности пород с глубиной определяется для рассчитанной температуры Т(г,0 линейной интерполяцией между значениями предела прочности материала, измеренными при разных температурах. Изменение давления веса материала с глубиной: Р = р ■ ^■ г, где р - плотность материала, ^ - ускорение свободного падения, 2 - глубина. Толщина упругого слоя плиты определяется в эксперименте из:
МЛ
где т5 - предел прочности на сдвиг модельного материала, Н - толщина модельной литосферы. Толщина литосферы (7Ь) определяется в эксперименте из условия Т(z=ZL,t) = 28 °С. Следующие значения параметров в оригинале (природе) и в модели принимаются: т° = 5.6х107 Па; р° = 3х103 кг/м3; Н°= 3х103 м (О = 0.622); т5т = 20 Па; рт = 0.86х103 кг/м3; Нт = 3х10-3 м (О = 0.775).
Подготовка и проведение экспериментов осуществлялись следующим образом. Сначала модельное вещество с помощью нагревателей разогревалось до необходимой температуры (~43 °С), и перемешиваясь доводилось до однородного жидкого состояния (рис. 4 А).
Затем поверхность расплава модельного вещества охлаждалась сверху с помощью вентилятора при поддержании определённого термического режима внутри установки (рис. 4 Б). Затвердевшее до необходимой толщины модельное вещество имитировало литосферу, которая припаивалась к поршню и противоположной стенке экспериментальной ванны. В ней, в некоторых экспериментальных сериях, механическим путём задавались различные типы неоднородностей (разрезы - рифтовые трещины, ослабленные зоны с более тонкой литосферой в рифтовой зоне или струк-
Рис. 4. Последовательность подготовки литосферы осевой зоны спрединга в модели. Fig. 4. The sequence of preparation of the axial spreading zone lithosphere in the model.
турные неоднородности с более прочной, толстой литосферой различной конфигурации и др.) (рис. 4 В). После того как толщины модельной плиты и отдельных её фрагментов достигнут необходимых значений, начинается горизонтальное растяжение модели и наращивание новой океанической модельной коры (рис. 4 Г).
Задачей экспериментов было выявление условий, при которых происходит формирование микроблока с континентальной литосферой, и установление основных параметров, определяющих форму и размер блока. Поэтому была определена первоначальная геометрия трещин, формирующихся при расколе континента с учётом структурно-вещественных неоднородностей в дораскольной литосфере (рис. 2). Для этого были проанализированы геолого-геофизические данные по изучаемому природному объекту. Существенным фактором, осложняющим процесс рифтинга в этом районе, являлось наличие горячей точки Кару. Учёт влияния горячей точки потребовал отработки специальной методики создания подлитосферной термической аномалии в модели в виде локального источника нагрева - ЛИН. После начала растяжения и некоторого периода спрединга делался перерыв Ш в наращивании модельной литосферы. Она подвергалась дополнительному охлаждению, после которого активизировалась горячая точка (ЛИН), расположенная в области молодой модельной континентальной окраины.
В экспериментах варьировались различные параметры, такие как расстояние плюма от уже сформировавшегося спредингового хребта, длина и простирание рифто-вых трещин, время действия плюма, время охлаждения модели после формирования спредингового хребта и молодой (новой) литосферы.
Было проведено несколько серий экспериментов по моделированию происхождения Мозамбикского хребта и поднятия Бейра. На рис. 5 представлены две схемы экспериментов:
- образование частично отделённого континентального блока под действием горячей точки (рис. 5 а)
- образование микроблока за счёт встречного продвижения трещин в однородной модельной литосфере (рис. 5 б).
Первая экспериментальная серия. Мозамбикский хребет. Подготовка и проведение экспериментов осуществлялись в несколько этапов. После формирования модельной плиты с толщиной Н в ней задавался разрез, имитирующий начальный раскол континента с образованием рифта. В процессе растяжения модели со скоростью V, рифтинг переходил в спрединг. После наращивания модельной океанической коры движение поршня прекращалось на время ^ для имитации переходного периода перед перескоком спрединговой оси. Затем в окрестности молодой континентальной окраины включался ЛИН, который проплавлял модельную литосферу, имитируя термическую аномалию мантийного плюма. Далее с обеих сторон от расплавленной области делались два разреза, играющие роль ослабленных зон, которые предполагались на основе геологического и тектонического строения юго-восточной части Африки с более тонкой, ослабленной литосферой. После этого растяжение модели возобновлялось.
Результаты экспериментов. Эксперимент 2514 (рис. 6). В подготовленной модельной плите был сделан разрез - рифтовая трещина (рис. 6 а). Вдоль него в процессе растяжения происходила аккреция новой модельной литосферы. После того, как сформировалась полоса новой модельной литосферы шириной 1-3 см, делался перерыв в растяжении (рис. 6 б) (в среднем он длился около 30 минут), в течение которого модель продолжала охлаждаться. Затем в области молодой континентальной окраины 144
Рис. 5. Схема и параметры экспериментов 1 (а) и 2 (б) серии: 1 - модельная плита, 2 - ослабленная зона, 3 - поршень установки, 4 - разрезы, 5 - область влияния ЛИН (пониженная толщина литосферы), 6 - направление растяжения. W1 - ширина ослабленной зоны первой экспериментальной серии (3 см), W2 - ширина ослабленной зоны второй экспериментальной серии (5 см), L1 - длина разрезов (5 см), a - расстояние от поршня до центра проекции ЛИН на поверхности модели (2 см), b - расстояние от центра проекции ЛИН до ослабленной зоны (2 см), c - диаметр проекции ЛИН на поверхности модели (2 см), d1 - расстояние от поршня до разреза (5 см), d2 - расстояние от стенки установки до разреза (7 см), x - поперечное смещение между разрезами (3 см), а - угол между простиранием разрезов и направлением растяжения (15°), р -угол между простиранием ослабленной зоны и направлением растяжения (45°).
Fig. 5. Scheme and parameters of experiments 1 (a) and 2 (b) of the series: 1 - model plate, 2 - weakened zone, 3 - piston of the installation, 4 - sections, 5 - area of influence of LSH (reduced thickness of the lithosphere), 6 - direction of stretching. W1 - width of the weakened zone of the first experimental series (3 cm), W2 - width of the weakened zone of the second experimental series (5 cm), L1 - length of the incisions (5 cm), a - is the distance from the piston to the center of the LSH projection on the model surface (2 cm), b - distance from the center of the LSH projection to weakened zone (2 cm), c - diameter of the projection of the line on the surface of the model (2 cm), d1 - distance from the piston to the incision (5 cm), d2 - distance from the installation wall to the incision (7 cm), x is the transverse displacement between the incisions (3 cm), а - angle between by the stretch of the incisions and the direction of stretching (15°), p - angle between the stretch of the weakened zone and the direction of stretching (45°).
модели включался ЛИН. После подплавления им модельной литосферы термическая аномалия становилась видимой на её поверхности. При этом часть расплава могла изливаться на поверхность плиты, формируя магматическую провинцию. Далее с обеих сторон от пятна горячей точки были сделаны два разреза, параллельных оси спредин-га. Они имитировали наличие в литосфере структурных неоднородностей (рис. 6 б). После завершения активной деятельности горячей точки интенсивность её нагрева была уменьшена, а растяжение модельной литосферы продолжилось.
Из разрезов начали продвигаться трещины, т. е. произошёл перескок старой оси спрединга в область разрезов. Трещина, продвигающаяся из разреза выше горячей
точки, быстро соединилась с областью новообразованной модельной литосферы, образовав удлинённый блок (рис. 6 в). Затем к нему причленился небольшой блок модельной литосферы, сформированной в области действия ЛИН (часть магматической провинции) (рис. 6 г). До стадии «д» спрединг в модели шёл вдоль сдвоенных осей, левее блока и правее, включая примыкающий к нему аккреционный вал. Блок испытывал небольшое вращение в горизонтальной плоскости против часовой стрелки (рис. 6 д). После стадии «д» спрединговая ось испытала правосторонний перескок, сформировав единую спрединговую ось (рис. 6 е, ж). При этом удлинённый блок и блок магматической провинции оказались по разные стороны от оси спрединга (рис. 6 е). На заключительных стадиях эксперимента сформировался не полностью отделённый от континента удлинённый блок, расположенный под углом к нему (рис. 6 е). Из разреза ниже горячей точки трещина продвинулась недалеко и остановилась сразу после образования удлинённого блока выше горячей точки, оставшись к концу эксперимента недоразвившейся структурой (рис. 6 е, ж).
Результаты проведённых экспериментов показали, что наличие структурных (разломы, трещины) и термических (горячая точка) неоднородностей в континентальной литосфере может привести к образованию и дальнейшему отделению от неё микроблоков. В реальности количество блоков, их размеры и форма во многом зависят от сложившейся на данном этапе региональной кинематической картины и полей напряжения. Расположение архейских и протерозойских кратонов региона юго-восточной Африки и окружающих их мезопротерозойских орогенных поясов, вероятное заложение рифтогенных структур, а также магматические проявления плюма Кару предопределили начальные условия проведения экспериментов и методики. В ходе их проведения в моделях формировались линейные, протяжённые микроконтиненталь-
□ 1П2ПЗП40506П?
Рис. 6. Эксперимент 2514. Отделение линейно-вытянутого континентального микроблока с магматической провинцией при перескоке оси спрединга в сторону молодой континентальной окраины вследствие действия горячей точки Н= 3-10-3 м; V= 310-5 м/с-1; tD = 30 мин; а)-е) - стадии эксперимента (вид сверху), ж) - структурная схема - дешифрирование стадии «е». 1 - континентальная модельная литосфера, 2 - вновь образованная модельная океаническая литосфера, 3 -континентальные микроблоки, окружённые океанической корой, 4 - расплав от горячей точки, 5 - структурные линии, 6 - спрединговая ось, 7 - палеоспрединговая ось.
Fig. 6. Experiment 2514. Separation of a linearly elongated continental microblock with a mag-matic province when the spreading axis jumps towards the young continental margin due to the action of a hot spot. H=3-10-3 m; V=3-10-5 m/s-1; tp=30 min. (a)-(e) - experimental stages (top view), (g) - block diagram - decryption of stage "e." 1 - continental model lithosphere, 2 - newly formed model lithosphere, 3 - microcontinent, 4 - hot spot, 5 - structural lines, 6 - axis of spreading, 7 - paleo spreading axis.
ные блоки. Динамика их развития, частичное или полное отделение от континента, миграция и вращение во всех проведённых экспериментах имели общие черты. Наличие линейных структурных неоднородностей и горячей точки приводило к ослаблению континентальной литосферы в модели. Ось расположенного рядом с континентом спредингового хребта испытывала перескок в зону этого ослабления, т. е. в область континентальной окраины. В результате перескока формировался линейно вытянутый блок. При дальнейшем растяжении он разделялся на несколько микроблоков, как правило, на два. В их структуре присутствовали фрагменты континентальной литосферы и участки расплава модельного вещества (проявления магматизма), связанные с действием ЛИН (горячей точки). Миграция и вращения микроблоков были связаны с развитием отдельных сегментов спрединговой оси.
Вторая экспериментальная серия. Поднятие Бейра. При постановке серии экспериментов по моделированию условий формирования поднятия Бейра учитывались современные кинематические модели раскола Гондваны на период 180 млн лет, показывающие предположительные зоны растяжения и дораскольную геометрию границ плит.
Результаты экспериментов. Эксперимент 2624 (рис. 7). В подготовленной модельной плите была вырезана наклонная, ослабленная область, обозначающая утонение континентальной литосферы перед её расколом. Далее в ней были сделаны разрезы под углами 15° к направлению растяжения (рис. 7 а). Такая конфигурация была выбрана в соответствии с дораскольной геометрией кинематической модели [14]. Далее начиналось растяжение модели. В процессе эксперимента наблюдались возможные варианты развития трещин, их соединение, приводящее к расколу континентальной литосферы.
После начала растяжения наблюдалось продвижение трещин из разрезов и формирование перекрытия центров спрединга (ПЦС) и формирование между ними блока континентальной природы (рис. 7 б, в). Пока продолжалось растяжение на обеих осях перекрытия, блок вращался по часовой стрелке (рис. 7 г, д). Далее в результате перескока одной из осей перекрытия спрединговая ось стала единой (рис. 7 д, е). Блок оставался у одной континентальной окраины, в то время как аккреция океанической коры продолжалась.
Эксперимент 2632 также повторяет предыдущие эксперименты этой серии, за исключением того, что в нём происходило формирование микроблока меньших размеров. В предыдущих экспериментах мы наблюдали перекрытие рифтовых трещин размером, сопоставимым с зоной деформации. В данном эксперименте сформировался блок континентальной природы меньших размеров (рис. 8). Вероятно, это явилось следствием уменьшения поперечного смещения между разрезами.
Заключение. Физическое моделирование позволило экспериментально показать возможность формирования Мозамбикского хребта как узкого линейно-вытянутого континентального блока, а также формирования континентальной структуры выступа фундамента поднятия Бейра путём частичного отделения от континентальной окраины.
Было выявлено, что формирование Мозамбикского хребта может происходить в условиях гетерогенной континентальной коры под влиянием термической аномалии, которую создала деятельность мантийного плюма Кару-Мод. Такие условия способствуют перестроению осей спрединга и формированию вытянутых континентальных блоков с фрагментами вулканических образований. Экспериментально показано, что деятельность мантийного плюма способствовала перескоку оси спрединга, в результате чего произошло частичное отделение Мозамбикского хребта от континентальной
J 1 [ 2 J 3 LrlJ 4 [лГ. 5 I ± 6 |_ej 7
Рис. 7. Эксперимент 2624. Частичное отделение континентального микроблока при расколе континента. Н= 3-10-3 м; V= 310-5 м/с-1; tn = 30 мин. а)-д) - стадии эксперимента (вид сверху), е) - структурная схема - дешифрирование стадии «д». 1 - континентальная модельная литосфера, 2 - вновь образованная модельная океаническая литосфера, 3 - континентальный микроблок, окружённый океанической корой, 4 - структурные линии, 5 - спрединговый хребет, 6 - направление растяжения, 7 - направление вращения блока.
Fig. 7. Experiment 2624. Partial separation of the continental microblock at the split of the continent. H= 3-10-3 m; V= 3-10-5 m/s-1; tp = 30 min. (a)-(d) - experimental stages (top view), (f) - block diagram - decoding of stage "d." 1 - continental model lithosphere, 2 - newly formed model oceanic lithosphere, 3 - continental microblock surrounded by oceanic crust, 4 - structural lines, 5 - spreading ridge, 6 - direction of stretching, 7 - direction of rotation of the block.
[ ИП2П30405В6
Рис. 8. Эксперимент 2632. Частичное отделение линейно-вытянутого континентального микроблока при расколе континента. Н= 3-10-3 м; V= 310-5 м/с-1; t„ = 30 мин. а)-е) - стадии эксперимента (вид сверху), ж) - структурная схема - дешифрирование стадии «ж». Условные обозначения см. на рис. 7.
Fig. 8. Experiment 2632. Partial separation of the linearly elongated continental microblock during the split of the continent. H= 3-10-3 m; V= 3-10-5m/s-1; tp = 30 min. (a)-(e) - stages of the experiment (top view), (g) - block diagram - decryption of the "g" stage. See the symbols in Fig. 9.
окраины Африканского континента, а также формирование вулканической его части на юге.
Формирование поднятия Бейра обусловлено изначальной геометрией заложенных рифтовых систем в дораскольной литосфере Гондваны.
Проведённое моделирование показало, что размеры, форма и динамика развития конкретных микроблоков в эксперименте и в природе контролируются различными региональными параметрами: кинематическими, термическими, структурно-вещественными.
Благодарности и источники финансирования. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 22-27-00110.
REFERENCES
1. Jacques, G., Hauff, F., Hoernle, K., Werner, R., Uenzelmann-Neben, G., Garbe-Schönberg, D., & Fischer, M., "Nature and origin of the Mozambique Ridge, SW Indian Ocean", Chemical Geology 507 (2019).
2. Fischer, M.D., Uenzelmann-Neben, G., Jacques, G., Werner, R., "The Mozambique Ridge: a document of massive multi-stage magmatism", Geophys. J. Int. 208, no 1, 449-467 (2017).
3. GEBCO_08grid, ver. 20100927 [electronic resource] (http://www.gebco.net).
4. Laughton, A.S., Matthews, D.H., Fisher, R.L., "The structure of the Indian Ocean", in: Maxwell, A.E. (ed.), The Sea 4 (Wiley, New York, 1970), 543-586.
5. Tucholke, B.E., Houtz, R.E., Barrett, D.M., "Continental crust beneath the Agulhas Plateau, Southwest Indian Ocean", J. Geophys. Res. 86, 3791-3806 (1981).
6. Ben Avraham, Z., Hartnady, C.J.H., Le Roex, A.P., "Neotectonic activity on continental fragments on the Southwest Indian Ocean: Agulhas Plateau and Mozambique Ridge", J. Geophys. Res. 100, 6199-6211 (1995).
7. König, M., Jokat, W., "Advanced insights into magmatism and volcanism of the Mozambique Ridge and Mozambique Basin in the view of new potential field data", Geophys. J. Int. 180, 158-180 (2010).
8. Marks, K.M., Tikku, A.A., "Cretaceous reconstructions of East Antarctica, Africa and Madagascar", Earth Planet. Sci. Lett. 186, 479-495 (2001).
9. Gohl, K., Uenzelmann-Neben, G., Grobys, N., "Growth and dispersal of a southeast African Large Igneous Province", S. Afr. J. Geol. 114, 379-386 (2011).
10. Thompson, J.O., Moulin, M., Aslanian, D., de Clarens, P., & Guillocheau, F., "New starting point for the Indian Ocean: Second phase of breakup for Gondwana", Earth-Science Reviews 191, 26-56 (2019).
11. Jacobs, J., Bauer, W., Fanning, C.M., "Late Neoproterozoic/Early Palaeozoic events in central Dronning Maud Land and significance for the southern extension of the East African Orogen into East Antarctica", Precambrian Research 126, 27-53 (2003).
12. Riley, T.R., Leat, P.T., Curtis, M.L., Millar, L.L. & Fazel, A. "Early-Middle Jurassic dolerite dykes from western Dronning Maud Land (Antarctica): identifying mantle sources in the Karoo large igneous province", J. of Petrology 46, 1489-1524 (2005).
13. Leichenkov, G.L., Sushchevskaya, N.M., Byalyatsky, B.V., "Geodynamics of the Atlantic and Indian sectors of the Southern Ocean", DAN 391, no 2, 228-231 (2003).
14. Etheve, N., Jeanniot, L., Cornu, T., & Callot, J.P., "Kinematic modelling of thermal history of the Mozambique rifted margin", Marine and Petroleum Geology, 104712. (2020).
15. Mueller, C.O., Jokat, W., "The initial Gondwana break-up: A synthesis based on new potential field data of the Africa-Antarctica Corridor", Tectonophysics 750, 301-328 (2019).
16. Grokholsky, A.L., Dubinin, E.P., "Experimental modeling of structure-forming deformations in rift zones of Mid-oceanic ridges", Geotectonics 1, 76-94 (2006).
17. Shemenda, A.N., "Similarity criteria in mechanical modeling of tectonic processes", Geology and Geophysics 10, 11 (1983).
18. Sandwell, D.T., Smith, W.H.F., "New global marine gravity from CryoSat-2 and Jason-1 reveals buried tectonic structure", Science 346 (6205), 65-67 (2014).
