Г.Л. Лейченков^[2], Ю.Б. Гусева^[3], В.В. Гандюхин^[4], К. Голь^[5], С.В. Иванов^[6], А.В. Голынский^[7], А.Ю. Казанков^[8]
Тектоническое развитие земной коры и формирование осадочного чехла в антарктической части Индийского океана (море Содружества, море Дейвиса, плато Кергелен)

Аннотация

В статье рассматриваются основные результаты морских геофизических исследований, выполненных по международному проекту МПГ 2007–2008 гг. в районе южной части плато Кергелен (Антарктика) в течение двух полевых сезонов 2007 и 2009 гг. (в 2007 г. работы проводились совместно с институтом Альфреда Вегенера, Германия). На основании проведенных исследований выявлены основные тектонические провинции района работ, установлена природа южной части вулканического плато Кергелен, предложены новые геодинамические модели раннего этапа раскрытия Индийского океана, выполнен детальный сейсмостратиграфический анализ осадочного чехла, выявлены обстановки осадконакопления и особенности терригенной седиментации в период антарктического оледенения.

Введение

В начале 2007 г. в антарктической части Индийского океана были выполнены совместные российско-германские геофизические исследования по проекту 3-го международного полярного года (МПГ 2007/2008 гг.) «История геодинамического развития, осадконакопления и изменений природной среды бассейна моря Содружества и южной части плато Кергелен (Восточная Антарктика)». В осуществлении проекта с российской стороны принимали участие специалисты ПМГРЭ и ВНИИОкеангеология, а со стороны немецких партнеров – ученые из Института Альфреда Вегенера (AWI) и Института геонаук и природных ресурсов Германии (BGR). Работы проводились с использованием двух научно-исследовательских судов НИС «Академик Александр Карпинский» (ПМГРЭ) и НИС «Поларштерн» (AWI). Площадь исследований охватывала акватории моря Содружества, восточной части котловины Эндерби, трога Принцессы Елизаветы и юго-западной части плато Кергелен (рис. 1).

Основными научными задачами исследований по проекту являлись: 1) изучение механизма, геометрии и продолжительности растяжения континентальной коры; 2) изучение структурных параметров, физических свойств и взаимоотношения рифтогенной континентальной, океанической и утолщенной магматической коры района плато Кергелен; 3) идентификация границы между корой континентального и океанического типов и реконструкция истории раннего спрединга морского дна Индийского океана; 4) определение природы земной коры южной части плато Кергелен; 5) реконструкция обстановок осадконакопления на континентальной окраине Антарктиды в мезозойско-кайнозойское время.

В состав совместных исследований входили: многоканальное сейсмическое профилирование методом общей глубинной точки (МОГТ), сопровождаемое измерениями гравитационного и магнитного поля, глубинные сейсмические зондирования (ГСЗ) с использованием подводных трехкомпонентных сейсмостанций (выполнялись немецкими специалистами), широкоугольное сейсмическое профилирование с одновременным использованием двух судов и аэромагнитные съемки с вертолета, размещавшегося на НИС «Поларштерн». В 2009 г. российские ученые продолжили исследования по проекту МПГ, изучив акваторию, расположенную к востоку от района совместных российско-немецких работ, которая включала юго-восточную часть плато Кергелен, море Дейвиса и глубоководную котловину Лабуан (рис. 1). Необычно суровая для антарктического лета ледовая обстановка, которая сложилась в период проведения работ в обоих полевых сезонах, не позволила выполнить геофизические наблюдения на шельфах, как это планировалось (южные окончания профилей, выполненных в 2007 и 2009 гг. фактически оконтуривают северную кромку ледяных полей; рис. 1).

Рис. 1. Схема сейсмических исследований в море Содружества, море Дейвиса и южной части плато Кергелен. 1–4 – профили ОГТ, выполненные экспедициями СССР/РФ (1), Австралии (2), Японии (3), по проекту МПГ (4); 5–7 – пункты зондирований МПВ, выполненные экспедициями: СССР/РФ (5), Австралии (6), по проекту МПГ (7); 8 – положение скважин глубоководного бурение по проектам ODP и их номера; 9 – изобаты (в метрах)

В результате исследований по проекту МПГ в сезон 2007 г. было выполнено 5000 км сейсмических, более 5500 гравитационных, 13 000 магнитных (морских и воздушных) наблюдений и произведено 39 постановок донных станций на двух меридионально ориентированных профилях МОГТ, а в сезон 2009 г. – 3000 км сейсмических, 6500 км гравитационных и 6000 магнитных наблюдений, а также 26 зондирований методом преломленных волн (МПВ) с применением радиобуев (рис. 1). Для производства работ МОГТ использовался сейсмический комплекс MSX-6000 фирмы «INPUT/OUTPUT Inc.» включающий цифровую 352-канальную приемную расстановку (косу) длиной 4500 м и две линии групповых пневмоисточников общим объемом от 20 до 38 литров.

1. Предшествующие исследования

Бассейны моря Содружества и моря Дейвиса являются частью антарктической окраины, которая сформировалась в результате распада Восточной Гондваны и разделения Индийской и Австрало-Антарктической плит в позднеюрско-раннемеловое время (Powell et al.; 1988; Lawver et al., 1992). На развитие бассейнов существенное влияние оказало внедрение в литосферу Восточной Гондваны мантийного плюма Кергелен, проявившегося в виде длительного вулканизма с образованием плато Кергелен. Прилегающая к акватории района исследований антарктическая суша входит в состав древнего кристаллического щита Восточной Антарктиды, на побережье преимущественно представленного метаморфическими комплексами пород докембрийского – раннепалеозойского возраста (Грикуров, 1980). Строение фундамента и осадочного чехла бассейнов морей Содружества и Дейвиса изучались на протяжении многих лет в Советских и Российских Антарктических экспедициях и рядом зарубежных экспедиций, однако многие аспекты тектонической (геодинамической) эволюции земной коры этого сектора Индийского океана до сих пор остаются неопределенными.

Морские геофизические исследования в районе морей Содружества и Дейвиса, которые, как правило, включали сейсмические (МОГТ), магнитные и гравитационные наблюдения, неоднократно проводились экспедициями СССР, Франции, Японии, России, Австралии (Stagg et al., 2005; Лейченков и Гусева, 2006). До начала полярного года здесь было выполнено около 39 000 км сейсмических и более 50 000 км магнитометрических профилей (рис. 1). Следует отметить, что сейсмические материалы, полученные до середины 1990-х годов (около 30 % от всех имеющихся материалов), оказались малоинформативными для тектонической интерпретации, так как не обладали необходимой глубинностью исследований.

По мере поступления геолого-геофизических данных развивались и представления о строении земной коры и ранней истории раскрытия южной части Индийского океана. В 1988 г. Пауэлл с соавторами (Powell et al., 1988), обобщив все имеющиеся на то время геолого-геофизические материалы на сопряженных окраинах материков Восточной Гондваны, сделали вывод, что рифтогенез между Индией и Антарктидой начался в позднеюрское время и закончился расколом литосферы около 132,5 млн. лет назад (хрон полярности магнитного поля М11). В последующие годы в ряде публикаций (Royer & Coffin, 1992; Gaina et al., 2007) обсуждалось только возможное положение спрединговых аномалий, в то время как возраст первичного раскрытия серьезной ревизии не подвергался.

Отечественными исследованиями в море Содружества была выявлена высокоамплитудная (350–500 нТл) линейная магнитная аномалия и высказано предположение, что она маркирует границу между рифтогенной корой континентального типа и корой океанического типа (рис. 2; Гандюхин и др., 2002). Происхождение линейной аномалии объяснялось «краевым эффектом», т. е. контактом сильномагнитной магматической коры океана с менее магнитной континентальной корой, подвергнутой интенсивному растяжению в период рифтогенеза. Позже, Стагг и др. (Stagg et al., 2005), соглашаясь с выводами российских специалистов о положении границы континент-океан в море Содружества, обнаружил, что к северу от линейной аномалии (в абиссальной котловине Эндерби) на сейсмических разрезах выделяются три толщи: тонкая верхняя с короткими полого-наклонными внутренними рефлекторами, средняя – полупрозрачная (без отражений) и нижняя, подстилаемая границей Мохоровичича, с насыщенной беспорядочными рефлекторами и дифракциями структурой сейсмической записи. Основываясь на известных представлениях о строении земной коры абиссальных котловин, они отождествили эти толщи с базальтовым (слой 2А), дайковым (слой 2В) и габбровым (слой 3) комплексами океанической коры, соответственно.

В разные годы предпринимались попытки идентификации номерных магнитных аномалий в морях Содружества и Дейвиса, но убедительные модели спрединга морского дна до сих пор отсутствовали. Это связано с низкой плотностью магнитных наблюдений в этой части Южного океана и, возможно, с особенностями спрединга морского дна вблизи вулканического плато Кергелен. Рамана и др. (Ramana et al., 2001) предположили наличие последовательности магнитных аномалий от М11 до М0 в подножии континентального склона западной части моря Содружества, однако последующие исследования эту модель не подтвердили. Гайна и др. (Gaina et al., 2007) идентифицировали в море Содружества и абиссальной котловине Эндерби (между 620 и 720в.д.) симметричную последовательность магнитных аномалий ЮВ-СЗ простирания от M9n (129,5 млн. лет) до М2 (126,7 млн. лет) и отмерший палеохребет в ее центре (в районе 61 в.д.) с возрастом около 118 млн. лет (рис. 2).

Рис. 2. Аномальное гравитационное поле (редукция в свободном воздухе; по данным спутниковой альтиметрической съемки; Sandwell & Smith, 2005) и номерные магнитные аномалии юго-восточной части Индийского океана. 1 – магнитные аномалии и их номера (Muller et al., 1997, Gaina et al., 2007), 2 – высокоамплитудная линейная магнитная аномалия моря Содружества, 3 – современный срединно-океанический хребет, 4 – оси отмершего спрединга, 5 – скважины, пробуренные по проектам ODP и IODP (приведены номера скважин, которые упоминаются в тексте). Зеленый контур – район работ по проекту МПГ.

Плато Кергелен представляет собой крупнейшую вулканическую провинцию Мирового океана. Сейсмическими исследованиями французских и австралийских экспедиций установлено, что южная часть плато Кергелен представляет собой обширное поднятие акустического фундамента, характеризующегося широким развитием разнонаправленных наклонных и пологозалегающих внутренних отражений (Rotstein et al., 1992). В 1987, 1988 и 1999 гг. на плато Кергелен по программе глубоководного бурения (ODP) пробурено 15 скважин, одна из которых (738) расположена в южной его части (рис. 2). Фундамент плато Кергелен преимущественно представлен толеитовыми базальтами, изливавшимися в субаэральных условиях около 120–110 млн. лет назад в южной части плато и 105–100 млн. лет в его центральной части и на банке Элан (Coffin et al., 2002).

По результатам геофизических и геологических исследований Коффин и др. (Coffin et al., 2002) сделали вывод, что раскрытие океана между Индией и Антарктидой могло быть вызвано внедрением горячей точки Кергелен в литосферу Восточной Гондваны 132 млн. лет назад, которое проявилось в излиянии базальтов в юго-западной Австралии (комплекс Банбери) и на плато Натуралиста (рис. 2). Около 120 млн. лет назад горячая точка сместилась в северо-западном направлении (или вновь активизировалась) и, при взаимодействии с центром спрединга Индийского океана, стимулировала обильную вулканическую деятельность, сформировавшую южную часть плато Кергелен (Coffin et al., 2002). Гайна и др. (Gaina et al., 2007) связывают с этим событием отмирание палеохребта в районе 61° в.д. и перескок океанического спрединга, который отделил блок континентальной коры от Индийской материковой окраины, представленный в настоящее время банкой Элан (рис. 2). Данные глубинного сейсмического зондирования (в районе 580ю.ш.) и геохимические исследований базальтов, вскрытых скважиной ODP 738, 747 и 750, указывают на возможное существование вещества континентального генезиса в нижней части земной коры плато Кергелен (Operto & Charvis, 1995; Coffin et al., 2002).