СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ
ГЕОЛОГИЯ И ГЕОФИЗИКА
Геология и геофизика, 2013, т. 54, № 3, с. 327—344
ГЕОФИЗИКА
УДК 550.831.015.013:551.14(268)
МОЩНОСТЬ ЗЕМНОЙ КОРЫ В ГЛУБОКОВОДНОЙ ЧАСТИ СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО
ОКЕАНА: РЕЗУЛЬТАТЫ 3-D ГРАВИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
В.Ю. Глебовский, Е.Г. Астафурова, А.А. Черных, М.C. Корнева, В.Д. Каминский, В.А. Поселов
Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана им. И.С. Грамберга,
190121, Санкт-Петербург, Английский просп., 1, Россия
Использованный метод 3-D гравитационного моделирования основан на вычислении гравитационных
эффектов от основных плотностных границ литосферы, вычитании этих эффектов из наблюденного
поля силы тяжести и последующем пересчете остаточных гравитационных аномалий вначале
в глубины залегания раздела Мохоровичича (Мохо), а затем в значения суммарной мощности земной
коры и мощности ее консолидированной части. При моделировании были учтены также гравитационные
эффекты, связанные с возрастанием плотности осадков при увеличении глубины их залегания и с поднятием
кровли астеносферы под океаническим хр. Гаккеля. Полученные результирующие 3-D модели
рельефа Мохо и мощности земной коры хорошо согласованы с данными глубинной сейсмометрии. Они
подтверждают существенные различия в строении земной коры Евразийского и Амеразийского бассейнов
и дают представление о региональных вариациях мощности земной коры под основными глубоководными
поднятиями и котловинами Северного Ледовитого океана.
3-D гравитационное моделирование, раздел Мохоровичича (Мохо), мощность земной коры, Северный
Ледовитый океан.
THICKNESS OF THE EARTH’S CRUST IN THE DEEP ARCTIC OCEAN:
RESULTS OF 3D GRAVITY MODELING
V.Yu. Glebovsky, E.G. Astafurova, A.A. Chernykh, M.S. Korneva,
V.D. Kaminsky, and V.A. Poselov
The employed method of 3D gravity modeling is based on calculation of the gravity effects of the main
density boundaries of the lithosphere, subtraction of these effects from the observed gravity fi eld, and the subsequent
conversion of the residual gravity anomalies fi rst to the Moho depth and then to the total thickness of the
Earth’s crust and the thickness of its consolidated part. On the modeling, we also took into account the gravity
effects due to an increase in the sediment density with increasing sediment depth and a rise of the top of the asthenosphere
beneath the mid-ocean Gakkel Ridge. The resulting 3D models of the Moho topography and crustal
thickness are well consistent with the data of deep seismic investigations. They confi rm the signifi cant differences
in crustal structure between the Eurasian and Amerasian Basins and give an idea of the regional variations
in crustal thickness beneath the major ridges and basins of the Arctic Ocean.
3D gravity modeling, Mohorovicic discontinuity (Moho), crustal thickness, Arctic Ocean
ВВЕДЕНИЕ
Мощность земной коры является одним из основных параметров, свидетельствующим о ее происхождении.
За многие десятилетия, прошедшие со времени обнаружения сейсмического раздела Мохоровичича
(1909 г.), названного по имени своего первооткрывателя и традиционно принимаемого за подошву
земной коры, собран огромный массив данных о его глубинном положении в различных регионах
земного шара. Результаты еще самых первых сейсмических экспериментов в глубоководных частях Мирового
океана показали, что мощность земной коры здесь существенно (в несколько раз) меньше, чем на
континентах и прилегающих шельфах [Деменицкая, 1977]. К настоящему моменту этот факт подтвержден
в самых разных регионах и его можно считать установленным.
© В.Ю. Глебовский, Е.Г. Астафурова, А.А. Черных, М.C. Корнева, В.Д. Каминский, В.А. Поселов, 2013
327
Стр.1
Северный Ледовитый океан (СЛО) по-прежнему остается исключительно важным районом для
решения региональных проблем геологии, касающихся глубинного строения и истории формирования
Мирового океана и Земли в целом. Помимо этого необходимость его дальнейшего геолого-геофизического
изучения диктуется важнейшей задачей, связанной с поисками и разведкой месторождений нефти
и газа, а также их последующим освоением [Каминский и др., 2011]. Суммарные потенциально извлекаемые
запасы углеводородов российских континентальных окраин СЛО огромны. Их численные оценки
постоянно возрастают. За последние 8 лет они увеличились в 1.7 раза — от 83 млрд т [Грамберг, 2002]
до 141.3 млрд т условного топлива [Конторович и др., 2010]. Приведенные оценки превышают запасы
углеводородов на континентальных окраинах каждого из других океанов Земли. Концентрация части
этих запасов в месторождениях-гигантах значительно облегчает их освоение, что делает континентальные
окраины СЛО важнейшим резервом углеводородного сырья XXI в.
Следует отметить, что глубоководные зоны, охватывающие континентальные окраины Арктического
бассейна и его континентальные склоны, также рассматриваются в качестве исключительно перспективных
на поиски углеводородов [Грамберг, 2002]. Тем не менее этот вывод требует подтверждения
результатами дополнительных геолого-геофизических исследований.
В последние годы интерес к геологическому строению и истории формирования глубоководной
части СЛО приобрел еще большее значение в связи с началом делимитации внешних границ арктических
государств, расположенных по его периферии. Поэтому актуальной геологической задачей в этом
регионе стало создание модели мощности земной коры, дающей представление об особенностях ее
строения и формирования.
Ввиду суровых климатических условий и высокой стоимости полевых исследований глубоководная
часть арктической акватории исключительно слабо изучена методами глубинной сейсмометрии
(рис. 1), которые дают прямую оценку положения границы Мохоровичича (Мохо). С учетом этого обстоятельства
при создании цифровой модели мощности земной коры СЛО были собраны и использованы
все доступные в настоящее время геолого-геофизические данные.
Работа проводилась в рамках международного проекта по составлению новой циркумполярной
тектонической карты Арктики, осуществляемого во ВСЕГЕИ при участии ВНИИОкеангеология и других
российских и зарубежных организаций. В качестве исходной информации наряду с сейсмическими
данными были использованы новые цифровые модели рельефа дна СЛО [Jakobsson et al., 2008] и поля
силы тяжести [Glebovsky et al., 2011], а также опубликованные карты и разрезы, дающие представление
о глубинном строении дна арктической акватории. В результате проведенной работы С.Н. Кашубиным с
коллегами [2011] была скомпилирована новая цифровая карта мощности земной коры, впервые представленная
в 2010 г. на 6-й Международной конференции по континентальным окраинам (ICAM-VI). В
пределах подавляющей части глубоководного Арктического бассейна, характеризующейся исключительно
слабой сейсмической изученностью, она основана на результатах интерпретации поля силы тяжести
с применением корреляционной зависимости между мощностью земной коры, рельефом земной
поверхности и интенсивностью гравитационных аномалий в редукции Буге [Кашубин и др., 2011]. В
рамках настоящего исследования предпринята попытка уточнения этой карты в результате разработки и
применения усовершенствованной методики 3-D гравитационного моделирования. Решение данной задачи
стало возможным в связи с появлением новой карты и цифровой модели мощности осадочного
чехла СЛО, созданной в 2012 г. во ВНИИОкеангеология [Каминский и др., 2012].
МЕТОДИКА 3-D ГРАВИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Оценка глубин до раздела Мохоровичича по методике трехмерного гравитационного моделирования
основана на последовательном учете гравитационных эффектов от наиболее контрастных плотностных
границ в земной коре, положение которых известно, и последующем пересчете остаточных аномалий
в рельеф искомой границы — подошвы земной коры. В первую очередь вычислялись гравитационные
эффекты от разделов вода—дно и осадки—фундамент. Эти эффекты были вычтены из наблюденного
поля. Полученная остаточная составляющая поля силы тяжести использовалась при решении обратной
задачи гравиметрии по расчету глубин залегания раздела Мохо. Вычисления прямой задачи в трехмерной
постановке проводились с помощью алгоритма Р.Л. Паркера [Parker, 1974], основанного на быстром
преобразовании Фурье и реализованного в программном обеспечении, разработанном в Атлантическом
отделе Геологической службы Канады [Verhoef et al., 1995]. Для расчетов обратной задачи применялось
программное обеспечение Geosoft Oasis Montaj v.7.2.
Исходными данными для вычислений стали цифровые модели глубин до известных границ раздела,
величины плотностных контрастов на этих границах, а также начальная (осредненная) глубина H0,
от которой производился расчет изменений положения раздела Мохо. Эта глубина выбиралась с учетом
существующих сейсмических данных. Были использованы следующие цифровые материалы.
328
Стр.2
Рис. 1. Обзорная карта района исследований.
На карте рельефа дна IBCAO [Jakobsson et al., 2008] показано положение сейсмических разрезов и точек глубинных сейсмических
зондирований (ГСЗ). 1—4 — зарубежные сейсмические данные: 1 — точки ГСЗ [Grantz et al., 1990]; 2—4 — профили ГСЗ
соответственно [Malr, Forsyth, 1982], [Jackson et al., 2010], [Funck et al., 2011]; 5—9 — российские сейсмические данные вдоль
геотрансектов [Российские…, 2012]: 5 — Трансарктика-1989—1991, 6 — Трансарктика-1992, 7 — Арктика-2000, 8 — Арктика2005,
9 — Арктика-2007. АБ — Амеразийский бассейн, ЕБ — Евразийский бассейн, ЧП — Чукотское плато, ХН — хр. Нордвинд,
ОС — отрог Север, ОП — отрог Пири.
- Уточненная цифровая модель (ЦМ) аномалий поля силы тяжести в свободном воздухе, скомпилированная
с использованием результатов циркумполярного арктического картографического проекта
CAMP-GM (Circum Arctic Mapping Project — Geophysical Mapping) [Gaina et al., 2011], арктического
гравиметрического проекта ArcGP (Arctic Gravity Project) [Kenyon et al., 2008] и российских гравиметрических
данных, полученных в 2000-х годах.
329
Стр.3