Строение коры Баренцево-карского региона по данным детальных исследований методом глубинного сейсмического зондирования

В 1995—1998 и 2003—2005 гг. в Баренцево-Карском регионе проведены детальные сейсмические исследования по геотраверсам 1-АР, 2-АР и 3-АР общей протяженностью более 3000 км. С помощью компьютерного пакета программ "Годограф", разработанного на кафедре сейсмометрии и геоакустики МГУ, получены сейсмические разрезы глубиной в среднем до 50 км. В качестве исходных данных использовались годографы преломленных волн — около 100 по каждому профилю.

Полученные по профилям 1-АР и 2-АР разрезы интерпретированы геологически. На разрезах прослежены главные коровые границы, складчато-надвиговые структуры нижней коры, а также шовная зона между Северо-Баренцевской впадиной и каледонским орогеном. Строение сутуры, по результатам нашей интерпретации, свидетельствует о наличии здесь древней субдукционной зоны. Охарактеризован возможный характер тектонических движений Баренцевской плиты.

Введение. Строение юго-восточной части Свальбардской плиты остается до сих пор недостаточно ясным, хотя известно, что фундамент западной части Баренцева моря относится к каледонскому орогену, который сформировался в течение силура. В 1995— 1998 и 2003—2005 гг. в рамках Федеральной программы создания сети опорных геофизических профилей, параметрических и сверхглубоких скважин были проведены уникальные по детальности сейсмические исследования по геотраверсам 1-АР, 2-АР и 3-АР, каждый длиной около 1000 км. По этим профилям выполнены исследования методом ОГТ (отраженные волны) и детальные исследования методом ГСЗ (преломленные волны). Сейсмические исследования по профилям 1-АР, 2-АР и 3-АР проведены "Севмор-гео", Институтом океанологии РАН, Университетом Хельсинки и другими организациями.

Обращение годографов проведено нами с помощью компьютерного пакета программ "Годограф", разработанного на кафедре сейсмометрии и геоакустики МГУ. В статье приведены результаты геологической интерпретации разрезов по профилям 1-АР и 2-АР. Получены разрезы, достигающие глубины более 50 км, на которых прослежены главные коровые границы, складчато-надвиговые структуры нижней коры, а также шовная зона между Северо-Баренцевской впадиной и каледонским орогеном. Строение сутуры, по результатам нашей интерпретации, свидетельствует о наличии здесь древней субдукционной зоны. Охарактеризован возможный характер тектонических движений Баренцевской плиты.

Тектоника. Рассматриваемые профили пересекают Баренцевскую и Карскую провинции. Баренцевская часть профилей расположена в пределах Баренцевской (Свальбардской) плиты в зоне каледонского орогена, который включает Кольско-Колгуевскую моноклиналь, зону Центрально-Баренцевских поднятий и Северо-Баренцевскую впадину (рис. 1) [Объяснительная..., 1996; Mjelde et al., 1992; Verba et al., 1985]. Баренцевская плита занимает обширную площадь между континентальным склоном побережья Северной Европы и Западной Сибири. В северной части рассматриваемой области расположена Барен-ция, граничащая на западе с Лаврентией, со структурами Балтики на юге и Новоземельской плитой на востоке. Карский участок рассматриваемого района представлен Южно-Карской впадиной, находящейся в пределах северной окраины Западно-Сибирской плиты [Верба, 1984; Литвиненко, 1968; Объяснительная..., 1996; Сенин, 1989].

Сейсмические исследования ГСЗ часто оказываются эффективнее в исследованиях глубинных структур коры, чем данные метода ОГТ [Mjelde et al., 1992]. Сейсмические широкоугольные исследования (ГСЗ) по четырем коротким профилям с максимальной длиной годографа около 300 км и с расстоянием между донными станциями около 50 км проведены в 1998 г. на северо-западе Баренцева моря сотрудниками норвежского Университета Бергена. В результате [Breivik et al., 2002] получены данные, которые свидетельствуют, что Баренция ограничена протокале-донской субдукционной зоной, погружающейся на юго-восток. В рассматриваемом регионе указанные авторы выделяют две ветви каледонского орогенеза: одну в западной части Шпицбергена и структуру в центральной части Баренцева моря между Лаврентией и Балтикой, имеющую северо-восточное простирание (рис. 1). В структуре консолидированной коры под Баренцевым морем указанными исследованиями установлены блоки, представляющие остатки континентальной коллизии и характеризующиеся высокими значениями мантийной скорости и плотности.

Рис. 1. Тектоническая схема региона с указанием положения профилей, по [Ав^огп е1 а1. 2002]. Профили, выполненные "Севморгео", обозначены жирными прямыми линиями. Тонкими линиями показаны сейсмические профили Университета Берген

Специфическая особенность Баренцевской плиты — наличие глубоких рифтогенных трогов.

Методика исследований. Профиль 1-АР длиной 1330 км проходит от побережья Кольского п-ова до Земли Франца-Иосифа, профиль 2-АР (930 км) — от п-ова Ямал через Новую Землю до Северо-Баренцев-ской впадины [Беляев, 2003].

При наблюдениях ГСЗ в качестве источников использовались пневмопушки, в качестве приемников — донные станции. Морской профиль ГСЗ 1-АР состоит из двух частей: южной, длиной 150 км, на которой донные станции (ДС) устанавливались с интервалом 20 км, и северной, для которой интервал между ДС составлял, как правило, 40 км. Взрывы производились с шагом около 250 м. По профилю 2-АР ДС располагали в среднем через 20 км, возбуждение сейсмических волн проводилось с шагом 250 м. Расстановки донных станций обеспечивали получение годографов глубинных преломленных и отраженных волн на расстоянии до 200—300 км.

При обработке сейсмических данных различные исследователи использовали следующие подходы:

1) кинематическая обработка: а) в рамках толстослоистой модели с построением преломляющих и отражающих сейсмических горизонтов, оценкой пластовых, эффективных и граничных значений скоростей на основе решения обратных кинематических задач [Эаууёоуа, 1985; Бак-оиПпа, 2000]; б) в рамках модели с двумерным непрерывным распределением скорости методом сейсмической томографии [Дитмар, 1993];

2) построение волновых изображений (динамических разрезов) отражающих и преломляющих границ, в последнем случае — на основе миграции сейсмических записей преломленных волн [БакоиПпа, 2000].

В результате были получены детальные разрезы осадочного слоя и верхней части консолидированной коры, установлено положение границы Мохо. Однако строение глубинных частей коры, а также характер сочленения различных тектонических структур остались невыясненными.

Метод однородных функций для обращения годографов. Технология метода обработки базируется на свойствах однородных функций. Разрезы в изолиниях скорости сейсмических волн построены с использованием компьютерной технологии "Годограф", разработанной в МГУ им. М.В. Ломоносова. Алгоритм программы основан на локальной аппроксимации реальных скоростных полей однородными функциями двух координат, т.е. функций вида /(Сх,С})=СтЛх,у), где т — степень однородной функции, действительное число + В теории показано, что в средах, где скорость сейсмических волн — однородная функция двух координат, годографы подобны [Рир, 2001].

Функция скорости в полярной системе координат имеет вид

у = гт у(ф),

где т — степень однородной функции, действительное число (-го < т< +«>).

Отметим, что у(ф), входящая в формулу скорости, — это произвольная возрастающая непрерывная функция, она может иметь любой характер поведе-

 

Рис. 2. Сейсмические разрезы по профилю 1-АР (вверху) и 2-АР (внизу). Тонкие сплошные линии — изолинии сейсмической скорости. Значения скоростей отмечены цифрами. Тон соответствует величине градиента скорости. Сечение изолиний скорости 0,2 км/с

 

ния. Это свойство позволяет аппроксимировать среды, содержащие складки, градиентные границы раздела и нарушения.

Программа работает для любой системы годографов — от крайнего случая двух встречных годографов до ситуации, когда приемники и источники расположены по профилю с одинаковым шагом.

При сложной системе годографов, как на профилях 1-АР и 2-АР, скоростной разрез строится с помощью суперпозиции локальных скоростных полей по системе приоритетов или категорий. Локальным полям скорости, рассчитанным для коротких пар годографов, отдается наивысший приоритет или минимальное значение категории. На разрез попадают значения скорости, отвечающие областям с меньшим значением категории. В точках пересечения локальных скоростных полей с одинаковым значением приоритета или категории вычисляется среднеарифметическое значение скорости.

В программе "Годограф" осуществляется автоматическое построение разрезов. В качестве исходных данных для построения разрезов используется только система наблюденных годографов. Никакая априорная информация о строении разреза (начальные модели) не требуется. Это обеспечивает объективность получаемых разрезов. При геологической интерпретации готовых разрезов основным критерием выделения той или иной границы раздела на скоростных разрезах является наличие резких изменений скорости или ее градиента в скоростном поле.

Геологическая интерпретация разрезов. Профиль 1-АР начинается на северном склоне Балтийского щита, пересекает структуры Кольско-Колгуеве кой моноклинали, грабен Варангер, Западно-Кольский прогиб, своды Федынского и Ферсмана и заканчивается в пределах Северо-Баренцевской впадины. Протяженность профиля составляет 1330 км. Полученный разрез имеет максимальную глубину 54 км. Автоматически построенный сейсмический разрез приведен на рис. 2 вверху. Темные протяженные узкие области на разрезе — зоны резкого изменения скорости волн — границы раздела и тектонические нарушения. На разрезе приведены изолинии скорости с постоянным шагом 0,2 км/с.

Сейсмогеологический разрез на рис. 3, а есть результат геологической интерпретации сейсмического разреза. Критерии для выделения слоев следующие: наличие протяженных границ раздела, характерные для того или иного слоя значения скорости, примерно постоянный градиент скорости и характерный рисунок изолиний скорости, а также характер дизъюнктивных и пликативных деформаций внутри того или иного слоя. Полученный сейсмогеологический разрез отчетливо разделяется на две части—область сложнопостроенных структур Свальдбарской плиты и более спокойную Северо-Баренцевскую впадину.

Кора Баренцевской плиты, где расположена серия поднятий Ферсмана, Федынского, а также несколько грабенов, имеет трехслойное строение. Граница Мохо здесь прослежена в виде отдельных отрезков на глубине 40—45 км. Нижняя кора (скорость 6,8—8 км/с, глубина кровли от 20 до 30 км) имеет сложное складчато-надвиговое строение. Выделяются три характерные крупные складчато-надвиговые структуры, положение двух их них совпадает с поднятиями Ферсмана и Федынского. Строение и механизм их образования показаны на врезке к рис. 3, б, по [Хаин, 2005]. Такие деформации возникают в обстановке сжатия континентальной окраины под воздействием уходящей под континент зоны субдукции. При движении плиты возникает зона разогрева, затем образуется складка, осложненная надвигом. В центре складки оказываются породы, характеризующиеся относительно пониженными значениями сейсмических скоростей. На разрезе (рис. 3, а) области пониженной скорости, которые обнаруживаются во всех складчато-надвиговых структурах, выделены крапом. Самая крупная из указанных структур — складка, приуроченная к поднятию Ферсмана. Ее амплитуда достигает 10—15 км, ширина этой структуры в нижней части 120 км. Слои, образующие складку, в верхней части "разорваны" на фрагменты. Амплитуда и размер других двух выделенных складчато-надвиговых структур (в области свода Федынского и в низах Западно-Кольского прогиба) уменьшаются по направлению к Балтийскому щиту.

Строение средней (скорость равна 6,4—6,8 км/с, мощность 10—15 км) и верхней (мощность в среднем менее 10 км, скорость 5,8—6,4 км/с) коры в районе Баренцевской плиты также свидетельствует об обстановке сжатия. Эти слои деформированы согласно со структурами нижней коры и осложнены многочисленными разломами. В области свода Ферсмана и прилегающих грабенов средняя кора нами не выделена.

Согласный характер деформаций всех слоев консолидированной коры позволяет предположить, что возраст деформаций не старше возраста кристаллического фундамента. Мощность осадочного слоя в области Демидовского авлакогена свыше 20 км, она сокращается до 7 км в районе поднятий. Нижняя часть осадочного слоя мощностью до 10 км характеризуется высокими значениями скорости (выше 5 км/с), низким градиентом скорости и заполняет понижения в фундаменте. Возможно, это рифейские отложения, которые предположительно являются син-орогенными. Эти слои осложнены многочисленными разломами.

В области Кольско-Колгуеве кой моноклинали видны структуры сочленения Баренцевской плиты и Балтийского щита. Граница Мохо углубляется здесь до 45 км. Многочисленные разломы свидетельствуют о надвигах нижней коры плиты в направлении щита. Такие структуры характерны для пассивных окраин, где по данным отраженных волн обычно выделяется множество рефлекторов, наклоненных в сторону океана [Хаин, 2005].

Кора Северо-Баренцевской впадины двухслойная и имеет меньшую мощность (25—30 км). Осадочный слой повышенной мощности до (15—20 км) характеризуется периодическим строением. В самой верхней части осадочного слоя на глубине до 10 км выделяется серия из пяти рифтогенных прогибов шириной до 25 км. Такие прогибы выделены также и на разрезе ОГТ по профилю 2-АР [Верба, 2005]. Верхняя часть слоя хрупкая, так как она разбита разломами, разделяющими блоки протяженностью 50-70 км.

Вблизи подошвы осадочного слоя скорость достигает значений 5,5—6,2 км/с. Подошва осадочного слоя характеризуется резко расчлененным рельефом, разломы концентрируются только в областях, где подошва высоко приподнята, а опущенные блоки (пластичные?) не разбиты разломами. Подстилающая мощная верхняя кора (около 15 км) вблизи своей кровли обладает пониженной скоростью (до 5,5 км/с), внутри верхней коры не прослеживаются разрывные нарушения, поэтому можно предположить, что этот слой пластичный.

Мы делаем здесь предположение, что формирование структуры "осадочный слой/ верхняя кора" могло происходить по механизму образования несимметричных рифтов по Вернике [Хаин, 2005]. Моделирование, проведенное Вернике, показало, что в условиях растяжения верхний хрупкий слой модели (в нашем случае — верхняя часть осадочного чехла до глубины около 10 км и со скоростью менее 5,5 км/с), расположенный выше слоя с высокой вязкостью (здесь нижняя часть осадочного чехла), образует серию несимметричных рифтов, если вся структура подстилается пластичным слоем с пониженной вязкостью (верхняя кора) (рис. 3, в).

Утоненная нижняя кора Северо-Баренцевской впадины мощностью до 10 км (скорость равна 6,8—8 км/с) разбита разломами (это хрупкий слой) и образует блоки шириной 50—100 км.

В районе пикетов 850— 900 км выделяется структура, которую предположительно можно рассматривать как шовную зону между каледонским орогеном и Северо-Баренцевской впадиной. На глубине 40 км в области сутуры утоненная нижняя кора впадины опускается в направлении более мощной нижней коры орогена. Шов имеет дугообразную форму и обращен выпуклостью в сторону Северо-Баренцевской впадины. В районе сутуры со стороны впадины наблюдается обширная область с пониженной скоростью (до 6 км/с) на глубине 30 км. Структура шва не прослеживается в осадочном слое. Эту сутуру, таким образом, предположительно можно интерпретировать, как и в работе [Вгемк, 2002], в качестве протокаледонской зоны субдукции, углубляющейся к югу или к юго-востоку.

Широтный профиль 2-АР проходит между Северо- и Южно- Баренцевскими впадинами и пересекает геотраверс 1-АР в районе пикета 780 км, т.е. южнее зоны структурного шва. Сейсмический разрез показан на рис. 2 внизу. На сейсмогеологическом разрезе (рис. 4, я), который включает геологическую интерпретацию, видно, что Северо-Баренцевская впадина, пересекаемая профилем 2-АР в широтном направлении, имеет такое же строение, как и на меридиональном профиле 1-АР. В западной части профиля между глубинными структурами Малыгинского грабена и впадины можно проследить шов (пикеты 110—140 км), который здесь выражен значительно меньше, чем на профиле 1-АР. Однако строение его также не противоречит предположению о погружении юго-восточного борта Северо-Баренцевской впадины относительно структуры Баренцевской плиты.

В районе Северо-Баренцевской впадины выделен мощный осадочный слой (до 15 км). Установлено наличие аналогичных рифтогенных прогибов внутри осадочного слоя впадины, как и на разрезе по профилю 1-АР.

Консолидированная кора в целом утонена (до 19 км). Слой, образующий нижнюю кору (скорость 6,8— 7,8 км/с, градиент скорости повышенный), разбит на фрагменты, подстилаемые зонами с пониженными значениями скорости, и формирует обширное поднятие в направлении Адмиралтейского мегавала. Поднятие этого слоя до глубины около 20 км сопровождается утонением консолидированной коры до 10 км и разрывом нижней коры.

Скорость в верхах мантии в районе впадины резко понижена и составляет 7 км/с на глубине около 35 км. Пониженные значения сейсмической скорости до 6—6,2 км/с на глубине 20 км наблюдаются также в центральной части Адмиралтейского поднятия. По данным Л.Е. Левина, в этом районе повышены значения теплового потока |Левин, 2002] .

К востоку от Адмиралтейского мегавала также можно выделить шовную зону, отделяющую структуры Баренцевской плиты от Новой Земли. В районе сутуры нижняя кора мегавала разбита на блоки и опущена в сторону Новой Земли. К востоку от шовной зоны скорость резко понижена, ширина зоны около 20 км. Эта сутура прослеживается в верхней мантии до глубины 40 км как область с пониженной скоростью. Между Адмиралтейским поднятием и Новой Землей граница Мохо как резкая сейсмическая граница не выделяется. Под Адмиралтейским мегавалом на пикетах 340—460 км в пределах верхней мантии на глубине около 30 км прослежена куполообразная структура с пониженной скоростью, возникшая, возможно, в результате деформации на границе Баренцевской и Новоземельской плит. На рис. 1 показано предполагаемое расположение шовной зоны на востоке Баренцевского региона.

Утоненная нижняя кора Новой Земли (мощность около 10 км) деформирована и образует складку с углами наклона крыльев около 10°, протяженностью в основании 100 км и амплитудой поднятия около 18 км. В замке складки существует разлом, а во внутренней части складки — область пониженной скорости в мантии. Верхняя кора Новоземельской микроплиты мощная (до 25 км), скорость 6—7 км/с. Относительно маломощный осадочный слой разбит разломами и характеризуется повышенными значениями скорости (от 5,6 до 6 км/с). Два симметричных прогиба — Седова и Пахтусовский — окаймляют Новоземельскую гряду с запада и востока.

К востоку от Новой Земли профиль пересекает Южно-Карскую впадину. Кора впадины имеет двухслойное строение. Глубина границы Мохо увеличивается до 43 км. Максимальная мощность осадочного слоя составляет 12 км, слой характеризуется повышенным градиентом и значениями скорости от 3 до 6,2 км/с. Верхняя кора со скоростью от 6,4 до 6,8 км/с и мощностью около 12 км образует прогиб до глубины 25 км. В районе сочленения Новой Земли с Южно-Карской впадиной мощная нижняя кора (20—25 км) впадины образует многочисленные надвиги в сторону Новой Земли. Такой характер сочленения плит свойствен пассивным окраинам континентов.

Достоверность разрезов. Погрешность определения скорости можно определить по степени совпадения ее значений на линии пересечения профилей, так как разрезы вычислены абсолютно независимо. График сравнения вертикальных скоростных зависимостей приведен на врезке к рис. 4, б. Величина среднеквадратического отклонения составляет 0,25 км/с.

Для оценки точности полученных разрезов выполнен расчет прямой задачи для разреза по профилю 1-АР. Теоретические годографы рассчитаны с использованием программы "Ти^ото", разработанной в компании "Севморгео". Технология программы основана на методике решения прямых задач для сейсмотомографии. Рис. 5 демонстрирует хорошее совпадение теоретических и наблюденных годографов, среднеквадратическое отклонение составило 0,5 с, траектории лучей плотно заполняют разрез и проникают на всю глубину разреза.

Достоверность разреза подтверждает также сопоставление изолиний скорости с разрезом ОГТ по профилю 1-АР (рис. 6). Несмотря на относительно низкую детальность разреза ОГТ, главные структуры разрезов хорошо совпадают, в частности глубины и рельеф границы Мохоровичича.

Выводы. 1. Шовная зона на границе между Северо-Баренцевской впадиной и структурами Баренцев-ской плиты, изображение которой получено на разрезе по профилям 1-АР и 2-АР, может быть интерпретирована как зона палеосубдукции, углубляющаяся к югу, юго-западу и юго-востоку.

2. Под поднятиями Ферсмана, Федынского в консолидированной коре существуют крупные складчато-надвиговые структуры, строение которых может свидетельствовать о сжатии континентальной окраины под воздействием пододвинутой под нее нижней коры Северо Баренцевской впадины в центральных частях складок выделенной области пониженной скорости- возможные зоны разуплотнения или плавления пород.
3 Внутри мощность осадочного слоя Северо-Баренцевской впадины прослежена серия рифтовых структур, механизм формирование которых предположительно можно связать с возникновением ассиметричных рифтов над пологими вязкими сбросами по Вернике.
4 В районе шовный зоны отделяющей структуры Баренцевской плиты от Новой Земли восточный борт утоненной нижней коры Адмиралтейского мегавала разбит на блоки и сначала приподнят, а затем опущен в направлении к Новой Земле.

A.B. Куницын, В.Б. Пийи