Диссертация: Тектоника и геодинамика ультрамедленных спрединговых хребтов

Актуальность работы. Срединно–океанические хребты (СОХ) являются планетарной
морфоструктурой и протягиваются через все океаны. Их рифтовые зоны представляют собой
места формирования новой океанической коры. Рельеф и глубинное строение рифтовых зон
СОХ отличаются в основном в зависимости от скорости спрединга. К концу XX века
согласно этому критерию сформировалось разделение срединно–океанических хребтов на 3
класса: медленноспрединговые (<4 см/год), быстроспрединговые (>8 см/год) и
среднеспрединговые (4 см/год<Vспр<8 см/год). В последние 20 лет активно шли
исследования малоизученных участков мировой системы СОХ c Vспр<2 см/год. В течение
этого периода времени был накоплен обширный материал об их рельефе и глубинном
строении [Глебовский и др., 2006; Шипилов, 2008; Пейве, Чамов, 2008; Пейве, 2009;
Зайончек и др., 2010; Дубинин и др., 2011; 2012; Соколов, 2011; Crane et al., 2001; Dick et al.,
2003; Jokat et al., 2003; Sauter et al., 2004; Pierce et al., 2005; Cannat et al., 2008; Sauter, Cannat,
2010 и др.]. Он показывает, что данные хребты значительно отличаются в своем строении от
медленноспрединговых. Анализ материалов о рельефе дна, геолого–геофизических
характеристиках и глубинном строении таких хребтов, а также результаты
экспериментального моделирования, позволяют выделить их в самостоятельный тип,
устаоновить особенности тектонического строения, выделить их тектонические типы,
основные структурообразующие факторы и геодинамические обстановки развития
ультрамедленного спрединга.
Цель работы. Изучение особенностей структурообразования рифтовых зон СОХ в
условиях различных кинематических и геодинамических режимов ультрамедленного
спрединга. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Сбор, обработка и интерпретация новых данных многолучевого эхолотирования, а
также обобщение и критический анализ опубликованных геолого–геофизических
материалов по тематике работы.
2. Анализ тектонического строения ультрамедленных спрединговых хребтов.
3. Построение и анализ структурных схем для участков спрединговых хребтов,
имеющих различную геодинамическую и кинематическую специфику.
4. Анализ кинематики и геометрии спрединга ультрамедленных хребтов.
5. Экспериментальное изучение особенностей структурообразования спрединговых
хребтов, находящихся в разных геодинамических и кинематических условиях
ультрамедленного спрединга.
6. Выявление основных структурообразующих факторов ультрамедленного спрединга.
Фактический материал. В основу работы положены новые данные многолучевого
эхолотирования полученные в 24–м (2006 г.), 25–м (2007 г.), и, при участии автора в 26–м
(2009 г.) рейсах НИС «Академик Николай Страхов», а также данные, полученные в 17 рейсах
1990–2000–х годов, размещенные в сети интернет и любезно предоставленные
французскими коллегами из Институтов физики Земли, гг. Париж и Страсбург, Института
морских исследований, г. Брест. В работе был использован 30–секундный грид рельефа дна
мирового океана GEBCO_08 версии 20100927.
Объекты исследования. В работе рассматриваются рифтовые зоны СОХ,
раздвигающихся со скоростями менее 2 см/год. Исследованы хребты Рейкьянес,
Кольбейнсей, Мона, Книповича, Гаккеля, Американо–Антарктический хребет (ААХ) и Юго–
Западный Индийский хребет (ЮЗИХ). Также были рассмотрены геодинамические
обстановки проявления ультрамедленного спрединга
Методика работы. Для анализа сегментации рассмотренных спрединговых хребтов
использовались представления о сегментации рифтовых зон СОХ изложенные в работах
[Дубинин и др., 1992; Мирлин и др., 1992; Дубинин, Ушаков, 2001; Sempere et al., 1992;
Macdonald et al., 1982; Lonsdale, 1994; Crane et al., 2001; Dick et al., 2003; Cannat et al., 2008].
За основу исследований принималось разделение рифтовых зон СОХ на три типа с
различным геологическим, геофизическим и геоморфологическим строением в зависимости
от скорости спрединга: медленные, средние и быстрые.
При изучении морфологии и тектоники рифтовых зон, их структурной сегментации
применялся морфоструктурный и кинематический анализ. Морфоструктурный анализ
рельефа осевых вулканических хребтов и флангов спрединговых хребтов проводился по
методикам, описанным в работах [Smith et al., 1995; Escartin et al., 1999; Garrel, 2001]. Для
интерпретации данных многолучевого эхолотирования, построения морфоструктурных схем
использовались методики, разработанные отечественными геоморфологами [Ласточкин,
1987; Бурский, Кулешова, 2008], а также программные пакеты Grapher 5.0, Global Mapper
12.0, GMT 4 [Wessell, Smith, 1995], Mirone 2.1 [Luis, 2007], QGIS 7.0.
Для выявления особенностей структурообразования и сегментации рифтовых зон
проводилось экспериментальное моделирование с использованием материалов, условий
подобия и методик, представленных в работах [Шеменда, 1983; Грохольский, Дубинин,
2006; Schemenda, Grokholsky, 1994]. Для анализа связей между рельефом дна и глубинным
строением литосферы использовались результаты численного моделирования [Галушкин и
др., 2007, 2008; Tucholke et al., 2008; Дубинин и др., 2010].
Научная новизна работы. 1. На основании комплексного анализа рельефа и геолого–
геофизических данных проведено тектоническое районирование ультрамедленных
спрединговых хребтов в зависимости от особенностей их строения и кинематики спрединга
2. Построены оригинальные морфоструктурные схемы для участков рифтовых зон
ультрамедленных спрединговых хребтов.
3. Проведенные экспериментальные исследования, учитывающие геодинамическую и
кинематическую специфику каждого спредингового хребта, вместе с комплексным
анализом рельефа и геолого–геофизических данных позволили выявить характерные
особенности структурообразования и ведущие геодинамические факторы,
определяющие тектоническое строение спрединговых хребтов с ультрамедленными
скоростями растяжения.
4. Выделены геодинамические обстановки ультрамедленного спрединга, а также участки
ультрамедленных спрединговых хребтов с характерным набором морфоструктурных
и тектонических признаков, которые могут служить в качестве типовых. Рассмотрена
интенсивность проявления и взаимосвязи эндогенных структурообразующих
процессов в разных геодинамических условиях ультрамедленного спрединга.
Практическая и теоретическая значимость работы. Новые данные о
морфотектонике и геодинамике ультрамедленных спрединговых хребтов актуальны для
дальнейшего развития представлений о природе и эволюции океанической коры. В
прикладном аспекте данные о строении рифтовых зон ультрамедленных спрединговых
хребтов могут быть использованы при анализе условий образования глубоководных
гидротермальных полиметаллических сульфидов и их морфоструктурной приуроченности, а
также при анализе эволюции палеоспрединговых бассейнов. Результаты работы включены в
учебную программу «Экспериментальное моделирование рельефообразующих деформаций
океанической литосферы» и реализованы в рамках специального учебного курса.
Защищаемые положения. 1. Ультрамедленный спрединг проявляется в следующих
геодинамических обстановках: 1) на спрединговых хребтах, сформированных при расколе
континентальной литосферы и расположенных вблизи полюсов относительного вращения
плит; 2) в пределах океанической литосферы при перескоках оси спрединга,
сопровождающихся отмиранием старого и формированием нового хребта на стадии
перехода от рифтинга к спредингу; 3) при растяжении в структурах типа pull–apart; 4) в
транзитных зонах между двумя спрединговыми хребтами; 5) в сдвиго–раздвиговых зонах,
сформированных в пределах океанической литосферы; 6) при продвижении спредингового
хребта в пределы континентальной литосферы; 7) на активных континентальных окраинах
при междуговом, задуговом и рассеянном спрединге.
2. Особенности рельефа и тектонического строения ультрамедленных хребтов
определяются: геодинамической обстановкой формирования хребта, кинематикой
спрединга, температурой мантии, толщиной коры и литосферы. Основными факторами,
определяющими их морфологию и тектоническое строение являются:
 для хребтов Рейкьянес и Кольбейнсей – увеличение температуры мантии,
интенсивности магмоснабжения и толщины коры по мере приближения к Исландской
термической аномалии, неортогональность спрединга;
 для хребта Книповича – формирование в пределах транзитной зоны между
хребтами Гаккеля и Мона в условиях косого спрединга с различными сочетаниями
сдвиговых и раздвиговых напряжений на отдельных сегментах хребта и вблизи
континентальной литосферы Баренцева моря и Шпицбергена;
 для хребта Мона – косой спрединг в условиях мощной и относительно
холодной литосферы и узкой рифтовой зоны;
 для хребта Гаккеля и Юго–Западного Индийского хребта (ЮЗИХ) –
минимальные скорости спрединга, изменение температуры мантии и
неортогональности спрединга вдоль простирания хребтов.
3. Геодинамические условия и кинематика спрединга определяют следующие основные
тектонические типы ультрамедленных спрединговых хребтов: 1) хребты, развивающиеся в
условиях высокой прогретости мантии под влиянием горячей точки (хр. Рейкьянес и хр.
Кольбейнсей, участки 3–9° и 35–52° в.д. ЮЗИХ); 2) хребты с субортогональным
растяжением без трансформных разломов (западный сегмент хр. Гаккеля, участок 16–25° в.д.
ЮЗИХ); 3) хребты с косым растяжением, с относительно холодной мантией и обедненным
магмоснабжением (центральный сегмент хребта Гаккеля, участки 9–16° и 60–70° в.д.
ЮЗИХ, хребет Мона); 4) хребты, развивающиеся со значительной компонентой сдвига в
транзитной зоне между двумя спрединговыми хребтами (хр. Книповича, трог Лена).
Личный вклад автора. В основе диссертации лежит геолого–геофизический анализ
строения ультрамедленных спрединговых хребтов и экспериментальные исследования
структурообразующих деформаций. Автор интерпретировал с использованием современных
программ данные многолучевого эхолотирования 17 экспедиций, в 26–м рейсе НИС
«Академик Николай Страхов» автор участвовал в обработке и интерпретации 6200 км
съемки многолучевым эхолотом. Были проанализированы морфотектонические особенности
163 осевых вулканических хребтов и асимметричных блоков флангов хребтов вдоль 202
профилей, на каждом из которых располагалось от 10 до 25 сбросов. Автор обобщил и
критически проанализировал опубликованные геолого–геофизические материалы; провел
сравнительный анализ имеющихся данных. Лично автором были проведены эксперименты,
включающие около 500 опытов, посвященных исследованию спрединговых хребтов,
осуществлена обработка и интерпретация результатов.