Глава 15. Тепловой поток и термическая эволюция литосферы Черноморского бассейна

Глава 15. Тепловой поток и термическая эволюция литосферы Черноморского бассейна

В этой главе будет продемонстрирован ещё один пример того, как аппарат моделирования бассейнов помогает решить специфические проблемы формирования термического режима литосферы бассейнов. Рассмотрение ведётся на примере Черноморского региона. В данном случае пакет программ ГАЛО будет применён для решения двух основных проблем: 1) объяснения природы низких тепловых потоков в глубоководных котловинах моря при относительно высоком потоке из мантии и 2) предложение единого варианта термического развития литосферы региона, годного для описания эволюции тектонически разнородных структур глубоководной части Чёрного моря, включающих Восточную и Западную впадины Чёрного моря с безгранитной корой, а также валы Андрусова и Шатского с континентальным типом коры. Дело в том, что большинство работ, посвящённых анализу термического режима впадин Чёрного моря, рассматривают высокую скорость отложения осадков как основную причину пониженных значений поверхностного теплового потока по сравнению с глубинным. Мы изучили вопрос, моделируя развитие бассейна с использованием новых геолого-геофизических данных о возрасте и строении осадочной толщи и фундамента котловин Чёрного моря,. и показали, что одно лишь отложение осадков не может объяснить снижение глубинного теплового потока до значений около 32-34 мВт/м² у поверхности дна, но что прорыв тяжёлых, но тёплых вод Средиземного моря около 7000 лет назад помогает объяснить современные низкие значения тепловых потоков в глубоководных частях Западной и Восточной котловин Чёрного моря (Галушкин и др., 2006). Применение аппарата моделирования бассейнов позволило предложить единый вариант развития литосферы глубоководной части Чёрного моря для всех четырёх вышеназванных тектонически разнородных структур (Галушкин и др., 2007). Этот вариант включает начальный этап квазирифтового прогревания литосферы в конце мела и три этапа тепловой реактивизации плиты, сопровождаемые тремя последовательными этапами утонения коры в кайнозое. Последние имели следствием постепенное изменение глубины моря до современного значения около 2.2 км. В согласии с геофизическими данными, моделирование предполагает относительно высокий современный термический режим литосферы бассейна при толщине литосферы около 60 км.

Табл. 1-15. Основные этапы эволюции осадочной толщи бассейна Чёрного моря в районе псевдоскважин 1, 2 и хребтов Андрусова и Шатского (см. текст)

N	Этапы эволюции	Геологич. Время (млн.лет)	Глубина (м)	Литология   Гл:вл:ал:пс:из:дл:
Псевдоскважина 1
	осадк.	75-35.4	9920-7870	10:10:00:00:60:20:
	осадк.	35.4-16.3	7870-3960	80:00:20:00:00:00:
	осадк.	16.3-7.2	3960-1100	20:00:20:20:40:00:
	осадк.	7.2-1.8	1100-480	50:00:00:50:00:00
	осадк.	1.8-0.0	480-0	50:00:00:50:00:00
Псевдоскважина 2
	осадк.	75-35.4	11440-8900	10:10:00:00:60:20
	осадк.	35.4-16.3	8900-4500	80:00:20:00:00:00
	осад.	16.3-7.2	4500-2380	20:00:20:20:40:00
	осадк.	7.2-1.8	2380-140	50:00:00:50:00:00
	осадк.	1.8-0.0	1400-0	50:00:00:50:00:00
Псевдоскважина хребта Андрусова (3)
	осад.	75-65	5600-4400	00:00:00:00:100:00
	перерыв	65-30	4400-4400	00:00:00:00:00:00
	осад.	30-15.8	4400-2800	80:00:20:00:00:00
	осад.	15.8-7.2	2800-1600	20:00:20:20:40:00
	осад.	7.2-1.8	1600-800	50:00:00:50:00:00
	осад.	1.8-0	800-0	50:00:00:50:00:00
Псевдоскважина хребта Шатского (4)
	осад.	75-65	5400-3300	00:00:00:00:100:00
	перерыв	65-30	3300-3300	00:00:00:00:00:00
	осад.	30-7.2	3300-1100	80:00:20:00:00:00
	осад.	7.2-1.8	1100-600	50:00:00:50:00:00
	осад.	1.8-0	600-0	50:00:00:50:00:00

Замечани я: “Глубина” – современные глубины подошвы и кровли осадочного слоя. “осад.” – осадконакопление, гл – глины, вл – вулканиты, ал – алевролиты, пс – песчаники, из – известняки, дл – доломиты. Положение псевдоскважин показано на рис. 4-15.

 

На современном континентальном склоне Чёрного моря верхние горизонты четвертичных отложений залегают согласно с дном моря. На крутых участках склона, сложенных породами акустического фундамента, распространены многочисленные уступы, связанные с разрывными нарушениями. Они имеют свежие стенки, свидетельствующие об очень молодых, практически современных опусканиях. Многочисленные данные свидетельствуют о молодом, практически современном кратковременном опускании дна моря. Оно создало глубоководную котловину, ограниченную континентальными склонами, практически только начавшую заполняться осадками (Шлезингер, 1989).

 

Рис. 3-15. Положение моделируемых псев-доскважин (табл.1-15).

 

Минимальная мощность консолидированной коры Чёрного моря приурочена к внутренним районам Западно-Черноморской впадины, где она равна 5-7 км, тогда как на её границах мощность составляет 12 км (рис. 4-15). В Восточно-Черноморской впадине минимальная мощность консолидированной коры равна около 13.5 км, увеличиваясь к периферии впадины до 15 км, а под Центрально-Черноморским поднятием до 20 км и более (рис. 4-15; Вольвовский и др., 1989а,б). В целом по периферии Черного моря и в его горных обрамлениях мощность консолидированной коры возрастает до 25-30 км. Например, морская периферия Горного Крыма характеризуется глубиной границы Мохоровичича около 30 км (Вольвовский и др., 1989б).

Рис. 4-15. Сводный сейсмический разрез земной коры Варна–Сухуми. (Галушкин и др., 2007).

Граница Мохоровичича по (Starostenko et al., 2004), подошва осадков во впадинах по (Шрейдер и др., 2002), остальные границы разделов в пределах осадочного чехла и фундамента по (Вольвовский и др., 1989). (V – средняя и Vг – граничная скорости сейсмических волн).

 

В целом, в акватории Черного моря мощность "гранитного'¹' слоя (V_P = 5,6+6,3 км/с) сильно сокращена по сравнению со структурами обрамления (Крым, Кавказ). Зона небольших мощностей "гранитного" слоя (5-7 км) распространяется далеко на запад, заходя в пределы Мизийской плиты (Вольвовский и др., 1989б). Мощность "базальтового" слоя равна 12-15 км в восточной части акватории Черного моря и менее - 5-6 км на западе акватории (рис. 4-15).

 

Исходные данные для моделирования

Эволюция теплового режима литосферы Чёрного моря рассматривается на примере четырёх псевдоскважин (рис. 3-15): 1 и 2, представляющих осадочный разрез Восточной и Западной впадин Чёрного моря с корой океанического типа, и псевдоскважин 3 и 4, представляющих осадочные разрезы валов Андрусова и Шатского с корой континентального типа. Положение псевдоскважин 3 и 4 соответствует южным частям профилей, показанных на нижних врезках рис.5-15. Для вала Шатского оно

 

 

Рис. 5-15. Структура коры валов Шатского (а) и Андрусова (б) (по (Finetti et al., 1988) с изменениями и упрощениями) в районе псевдоскважин 3, 4.

 

отвечает пересечению широтного профиля рис. 3-15 (около 43° с. ш.) с соответствующей структурой вала. Обобщённая история формирования осадочных разрезов Черноморского бассейна в районе рассматриваемых псевдоскважин представлена в табл. 1-15. Для псевдоскважин 1 и 2, представляющих Восточную и Западную впадины Чёрного моря, история осадконакопления включала по предположению верхнемеловой и кайнозойский этап развития бассейна. Для псевдоскважин валов Шатского и Андрусова осадочный разрез также содержал толщу верхнемеловых отложений, но включал большой перерыв в осадконакоплении в период с палеоцена по олигоцен (рис. 1-15). При моделировании история осадконакопления делилась на 5-6 этапов (табл. 1-15), Для псевдоскважин 1 и 2 она учитывала уточнённую интерпретацию сейсмических данных в работах (Шрейдер и др., 1997; 2001; 2002; 2003). История бассейна в районе вала Андрусова основана на геологическом разрезе, основанном на интерпретации сейсмических данных в работах (Finetti et al., 1988; Исмагилов, Коган, 1989), обобщённых в рис. 5-15. Данные в табл. 1-15 для вала Шатского также использовали сейсмическую информацию, обобщённую в геологическом разрезе на рис. 5-15 из работы (Finetti et al., 1988).

Мощность коры оценивалась по данным глубинного сейсмического зондирования (рис. 4-15; Золотарёв и др., 1989а,б) и уточнялась из анализа аномального гравитационного поля Черноморского района (рис. 6-15; Starostenko et al., 2004).

 

Рис. 6-15. Глубина гра-ницы Мохоровичича (км), полученная на основании анализа сейсмических и гра-витационных данных по (Starostenko et al., 2004) с упрощением.

 

Согласно результатам глубинного зондирования минимальная мощность коры приурочена к внутренним районам Западно-Черноморской впадины, где она составляет 19-20 км при мощности консолидированной коры 5-7 км. В пределах центральной части Восточной впадины мощность коры увеличивается до 22-24 км, а толщина консолидированной коры возрастает до 12-15 км (Золотарёв и др., 1989а). Под Центрально-Черноморским поднятием (вал Андрусова) консолидированная кора имеет мощность более 20 км, но является сильно утонённой. По периферии впадин и в горных обрамлениях мощность коры возрастает до 25-30 км (рис. 4-15; 6-15).

Согласно данным глубинного сейсмического зондирования (Вольвовский и др., 1989а,б; Золотарёв и др., 1989а,б) мощность "гранитного" слоя со скоростями V_P = 5,6+6,3 км/с изменяется от нулевой в центральных частях впадин Чёрного моря до 5 - 10 км на его шельфе (рис. 4-15). На валах Андрусова, Архангельского и Шатского мощность "гранитного" слоя достигает 5 – 7 км. Тем самым, мощность "гранитного'¹' слоя сильно сокращена по сравнению со структурами обрамления в Крыму и на Кавказе.

При моделировании истории погружения и теплового эволюциии рассматриваемых четырёх площадей глубоководной части Чёрного моря предполагалось, что современная литосфера впадин с мощностью консолидированной коры около 13 и 6 км, соответственно, формировалась в течение кайнозоя путём нескольких этапов растяжения литосферы с консолидированной корой мощностью 40-42 км, из которых гранитный слой (до растяжения) составлял всего лишь 2 – 4 км. Такая литосфера с утонённым гранитным и утолщённым «базальтовым» слоями могла быть создана либо в процессе задугового спрединга, либо, что более вероятно, в процессе континентального рифтогенеза по механизму Вернике (рис. 1-2). И напротив, современная литосфера валов Андрусова и Шатского получалась растяжением (в значительно меньшей степени) континентальной литосферы, начальные характеристики которой приведены в табл. 2-15.

 

Таблица 2-15. Строение континентальной литосферы, предполагаемое до растяжения в кайнозое в районе поднятий Андрусова и Шатского и свойства слагающих её пород, использованные в реконструкции истории погружения и тепловой эволюции района.

Слой	Гранитный	“Базальтовый”	Мантия
Глубина основания слоя, км	5,0	15,0	35,0	> 35
Плотность, г/см3	2,75	2,75	2,90	3,30
Теплопроводность, Вт/м°К	2,72	2,72	1,88	K = f (T)*
Генерация тепла, мкВт/м3	1,26	0,71	0,21	0,004

^*Согласно (Schatz and Simmons, 1972) – см. табл. 2-5).

Характеристики литосферы в этой таблице отличаются от аналогичных для стандартной модели в табл. 2-5 лишь слегка уменьшенной теплогенерацией пород гранитного слоя.

 

Следовательно, на этих площадях толщина коры перед растяжением литосферы составляла 35 км, с мощностью гранитного слоя 15 км и псевдобазальтового слоя - 20 км. В результате нескольких этапов растяжения литосфера бассейна приобретает вид, согласующийся с имеющимися геофизическими данными по толщине и составу корового слоя современного Черноморского бассейна (см. ниже).

Глава 15. Тепловой поток и термическая эволюция литосферы Черноморского бассейна

В этой главе будет продемонстрирован ещё один пример того, как аппарат моделирования бассейнов помогает решить специфические проблемы формирования термического режима литосферы бассейнов. Рассмотрение ведётся на примере Черноморского региона. В данном случае пакет программ ГАЛО будет применён для решения двух основных проблем: 1) объяснения природы низких тепловых потоков в глубоководных котловинах моря при относительно высоком потоке из мантии и 2) предложение единого варианта термического развития литосферы региона, годного для описания эволюции тектонически разнородных структур глубоководной части Чёрного моря, включающих Восточную и Западную впадины Чёрного моря с безгранитной корой, а также валы Андрусова и Шатского с континентальным типом коры. Дело в том, что большинство работ, посвящённых анализу термического режима впадин Чёрного моря, рассматривают высокую скорость отложения осадков как основную причину пониженных значений поверхностного теплового потока по сравнению с глубинным. Мы изучили вопрос, моделируя развитие бассейна с использованием новых геолого-геофизических данных о возрасте и строении осадочной толщи и фундамента котловин Чёрного моря,. и показали, что одно лишь отложение осадков не может объяснить снижение глубинного теплового потока до значений около 32-34 мВт/м² у поверхности дна, но что прорыв тяжёлых, но тёплых вод Средиземного моря около 7000 лет назад помогает объяснить современные низкие значения тепловых потоков в глубоководных частях Западной и Восточной котловин Чёрного моря (Галушкин и др., 2006). Применение аппарата моделирования бассейнов позволило предложить единый вариант развития литосферы глубоководной части Чёрного моря для всех четырёх вышеназванных тектонически разнородных структур (Галушкин и др., 2007). Этот вариант включает начальный этап квазирифтового прогревания литосферы в конце мела и три этапа тепловой реактивизации плиты, сопровождаемые тремя последовательными этапами утонения коры в кайнозое. Последние имели следствием постепенное изменение глубины моря до современного значения около 2.2 км. В согласии с геофизическими данными, моделирование предполагает относительно высокий современный термический режим литосферы бассейна при толщине литосферы около 60 км.