Моделирования истории погружения и изменения теплового режима Черноморской впадины

История погружения и эволюция температурного режима осадочной толщи для четырёх разрезов глубоководной части Чёрного моря, представленных в табл. 1-15 и рис.3-15; 5-15, показаны на рис. 7-15. Рис. 8-15 иллюстрирует изменение температурного режима и тектонического погружения подстилающей литосферы Чёрного моря на примере двух тектонически разнородных структур - Западной впадины Чёрного моря с океаническим типом современного фундамента (псевдоскв. 2) и вала Андрусова с фундаментом утонённой континентальной литосферы. Численная реконструкция осуществлялась с использо­ванием компьютерного пакета моделирования бассейнов ГАЛО. Исходные алгоритмы и принципы действия пакета обсуждались в главах 4-6 и в статьях (Галушкин и др., 2006; 2007).

Рис. 7-15. Численные реконструкции истории погружения и эволюции температуры и зрелости ОВ для осадочных разрезов псевдоскважин 1 и 2, представляющих восточную и западную котловины Чёрного моря с океаническим фундаментом и для разрезов хребтов Андрусова и Ширшова, залегающих на утонённом фундаменте континентальной литосферы.

Рис. 8-15. Численные реконструкции тепловой истории и тектонического погружения литосферы Чёрного моря в районе западной котловины (псевдоскважина 2) с океаническим характером консолидированной коры и хребта Андрусова с утонённым фундаментом континентальной литосферы.

Как и выше, реконструкции, представленные на рис. 7-15 и 8-15, учитывали отложение пористых осадков с переменной скоростью, их уплотнение по мере погружения, а также связь теплофизических свойств осадочных пород с литологией и пористостью, зависимость от температуры теплопроводностей воды и матрицы пород. Разновозрастные породы рассматривались как смесь литологических единиц (табл. 1-15). Для каждой из этих единиц использовались среднемировые значения параметров уплотнения (поверхностной пористости j(0) и характерного масштаба изменения пористости с глубиной), а также теплофизических характеристик скелета пород (теплопроводности, теплоёмкости, теплогенерации и плотности) из табл. 1-4. Вариации в значениях пористости, теплопроводности, теплоёмкости и плотности пород при их погружении в бассейне иллюстрируются данными в работе (Галушкин и др., 2006). Там же приводится сравнение вычисленных значений теплофизических параметров с немногочисленными данными, приведёнными в литературе. В численных реконструкциях генерация радиогенного тепла в матрице пород четвертичного, позднемиоцен-плиоценового, поздне-среднемиоценового, раннемиоцен-олигоценового и эоцен-позднемелового возраста (табл. 1-15) принималась равной 4.33, 4.05, 3.31, 3.81 и 3.73 ЕГТ (1 ЕГТ=1´10^-13 кал/см³=0.41868 мкВт/м³), соответственно. При этом объёмная генерация тепла в породах получалась умножением матричных значений на множитель (1-j), где j - пористость осадочной породы. В результате, значения теплогенерации пород, осреднённые в пределах каждого из осадочных слоёв табл. 1-15, совпадали с их оценками в работе (Вержбицкий, 2002).

Cистема моделирования ГАЛО анализирует процесс теплопереноса в области, включающей осадочную толщу бассейна (рис. 7-15), подстилающую литосферу и астеносферу (рис.8-15) и давала распределение температур в мантии до глубин 100-150 км. Рассмотрение теплового эффекта выделения или поглощения скрытой теплоты плавления повышало тепловую инерционность мантии в окрестности температур солидуса её пород, замедляя процессы остывания и нагревания литосферы (глава 5). Включение мантии и части астеносферы в область расчета температур позволяло привлекать анализ вариаций амплитуд тектонического погружения поверхности фундамента для оценки амплитуд тектонических и термических событий в истории бассейна (рис.8-15). С этой целью во всех четырёх реконструкциях одновременно с расчётом температур и давлений в коре и мантии на каждом шаге времени вычислялось также распределение плотности пород фундамента с глубиной с учётом процессов тепловой активизации и утонения коры литосферы. При этом вариации амплитуд тектонического погружения фундамента рассчитывались альтернативными методами (глава 6): 1) удалением нагрузки воды и осадков (процедура “backstripping”; кривая 2 на рис.8-15) и 2) из анализа вариаций в распределении плотностей в фундаменте (кривая 3 на рис. 8-15). Последовательность и интенсивность тепловой реактивизации литосферы бассейна, а также тектонических событий утонения коры (как результат её растяжения или термохимической эрозии снизу), оценивались из условия совпадения кривых 2 и 3 в периоды изостатического отклика литосферы бассейна на нагрузку (глава 6).

Следуя работам (Kazmin, 1997; Kazmin et al., 2000; Казьмин и др., 2000) мы считаем, что Западная и Восточная впадины Чёрного моря раскрывались одновременно при вращении вала Андрусова по часовой стрелке в результате южного дрейфа Понтийской вулканической дуги, так что в палеоцене-эоцене обе котловины раскрывались как два сопряжённых рифта, разделённых перемычкой вала Андрусова. Соответственно, на всех четырёх площадях бассейна, представленных на рис. 8-15, его развитие рассматривается, начиная с позднего мела, около 75 млн. лет назад. Начальному этапу эволюции бассейна отвечала интенсивная тепловая активизация фундамента с тепловым потоком, характерным для осевых зон современных рифтовых структур континентов (около 105 мВт/м²; рис. 8-15). Считалось, что верхнемеловые осадки восточной и западной котловин моря отлагались на литосферу типа с преимущественно базальтовой корой, толщина которой до растяжения (или эрозии снизу) составляла 42 и 40 км в Восточной и Западной впадинах, соответственно. В верхней части этой коры мог присутствовать гранитный слой, но толщина его (до утонения коры) была не более 4 и 2 км для восточной и западной впадин Чёрного моря, соответственно. Как отмечалось выше, 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, на основании геофизических данных о строении коры Чёрного моря, считалось, что литосферные блоки валов Ширшова и Андрусова представляли 75 млн. лет назад блоки обычной континентальной коры с характеристиками из табл. 2-15. Эти блоки разделяли и обрамляли участки с преимущественно базальтовой корой, созданные на месте будущих впадин Чёрного моря в процессе задугового растяжения, вызванного, в свою очередь, закрытием северного участка океана Тетис (Kazmin, 1997; Казьмин и др., 2000; Вержбицкий, 2002). Если на начальном, позднемеловом этапе развития бассейна эти блоки подвергались весьма умеренному растяжению, так что их рельеф оставался выше уровня моря и подвергался эрозии, то, начиная с верхнего олигоцена, они попадают в область интенсивного утонения коры (за счёт растяжения или термохимической эрозии коры снизу при переходе пород гранулитовых фаций в эклогитовые; глава 2, 6; Артюшков, 1993)). Эта область охватывала площадь современной глубоководной котловины Чёрного моря и процессы утонения коры в ней имели следствием поэтапное увеличение глубины моря до современного значения около 2200 м (см. ниже).

В целом восстановленная термическая история литосферы бассейна Западной впадины (псевдоскв. 2) почти не отличается от истории Восточной впадины, подробно рассмотренной в работе (Галушкин и др., 2006), а история литосферы вала Андрусова близка к истории вала Шатского (см. рис. 7-15, 8-15). В реконструкциях глубоководных котловин предполагалось, что обе они зарождались на литосфере, созданной фундаментальной переработкой континентальной литосферы в ходе задуговой активизации района либо рифтогенеза по механизму Вернике. Согласно геофизическим данным граница Мохоровичича в Восточной впадине Чёрного моря лежит на глубине 22 км ниже дна моря и современная толщина консолидированной коры составляет здесь около 13 км. В Западной впадине мощность коры составляет 19 км (рис. 4-15, 6-15) при толщине её консолидированной части около 7 км (Вольвовский и др., 1989а,б; Starostenko et al., 2004). Вариации в глубине тектонического погружения бассейна обеих котловин согласуются с тремя этапами утонения коры, самый поздний из которых длился с плиоцен-четвертичного времени (7.2 млн. лет назад) по настоящее и характеризовался амплитудой b» 1.6, второй длился с верхнего олигоцена по миоцен (с 34 по 7.2 млн. лет назад) и имел примерно ту же интегральную амплитуду растяжения и третий продолжительностью с конца мела по олигоцен (с 75 по 35 млн. лет назад) и с более умеренной амплитудой растяжения (b» 1.2 – в восточной и b» 1.3 – в западной котловинах моря). Принимая, что мощность коры позднемеловой литосферы задугового типа до растяжения составляла 42 км в Восточной впадине (Галушкин и др., 2006) и 40 км – в Западной, мы после трёх периодов утонения коры (в результате растяжения литосферы или эрозии корового слоя снизу за счёт перехода базальта в эклогит) приходим к современной литосфере с толщиной консолидированной коры около 13.5 км – в Восточной впадине и около 12 км – в Западной.

Существенно, что в нашей модели в обеих впадинах тектоническое погружение поверхности фундамента во время трёх рассмотренных этапов утонения коры и отложения осадочного покрова согласуется с тремя этапами углубления моря: от 200 м около 75 млн. лет назад до 800 м около 34 млн. лет, затем до 1.2 км около 7.2 млн лет назад (Муратов и др., 1980), и наконец, от глубины 1.2 км до современных 2.2 км в последние 7.2 млн. лет (см. кривую 4 на рис. 8-15). Следует заметить, что не существует однозначного мнения относительно временных вариаций в глубине Чёрного моря. Так одни исследователи в своих моделях развития региона игнорируют этот вопрос, предполагая неизменную глубину моря (около 2 км) в продолжении всего кайнозоя (Golmstock et al., 1992; Никишин и др.,2001; Meredith and Egan, 2002), другие же, напротив, рассматривают экзотические варианты изменения глубин, предполагая резкое обмеление Чёрного моря около 10 млн лет назад и объясняя это обмеление тектоническими причинами. При этом рассматривается маловероятный тип тектонической кривой с резким подъёмом и столь же резким погружением на 1.5-2 км в течение последних 15 млн. лет (Spadini, et al., 1996). Наша модель отвечает более умеренному варианту изменения глубины моря, согласующемуся с географическими, геологическими и геофизическими данными по развитию района. Он предполагает линейное увеличение глубины моря от 200 м около 65 млн. лет назад до 800 м около 34 млн. лет, затем до 1.2 км около 7.2 млн лет назад (см. (Муратов и др. 1980), и наконец, самое интенсивное погружение в последние 7.2 млн. лет, когда дно моря погрузилось от глубины 1.2 до 2.2 км.

Тектоническая история валов Андрусова и Шатского в пределах глубоководной части моря, аналогично восточной и западной впадинам, включает три этапа утонения коры бассейна (рис. 8-15). Как и выше, считается, что это утонение могло происходить как за счёт растяжения литосферы бассейна, так и за счёт термохимической эрозии коры снизу в результате фазовых превращений «базальта в эклогит» (Артюшков, 1993; 2003; 2005). Первый этап растяжения, как и выше, совпадает с событием рифтогенеза и характеризуется высоким начальным тепловым потоком, составлявшим около 105 мВт/м² во всех реконструкциях (рис. 8-15). Но для континентальных блоков литосферы валов Ширшова и Андрусова амплитуда утонения коры была меньшей, чем в Восточной и Западной впадинах Чёрного моря (1.16 и 1.13, соответственно; рис. 8-15). Последующие два этапа утонения коры с верхнего олигоцена по миоцен включительно (с 30 по 7.2 млн. лет назад) и с плиоцена по четвертичное время (с 7.2 млн. лет назад по настоящее время) характеризовались близкими амплитудами b» 1.4, также несколько меньшими, чем в Восточной и Западной впадинах моря. Принимая нормальную мощность континентальной коры из табл. 2-15 для позднемеловой литосферы валов Андрусова и Шатского, мы после трёх периодов утонения коры приходим к современной литосфере с толщиной консолидированной коры около 16 км и гранитным слоем около 7 км под структурами обоих валов, согласующимися с данными сейсмических и гравитационных исследований в районе (рис. 4-15, 6-15). Как и в случаях с Восточной и Западной впадинами, в рассматриваемых реконструкциях валов Андрусова и Шатского тектоническое погружение поверхности фундамента согласовалось с соответствующими этапами углубления моря от 200 м около 30 млн. лет назад до 1.2 км около 5.3 млн. лет назад (Муратов и др., 1980), и затем до современной глубины 2.2 км (см. кривую 4 на рис. 8-15).

Представленный вариант развития бассейна лежит в основе реконструкций, ппоказанных на рис. 7-15, 8-15. Температурные условия на поверхности области счёта температур (на дне моря) определялись палеоклиматическими условиями региона (верхний рис. 7-15) и глубиной моря, вариации которой показаны кривой 4 на нижних рисунках 8-15. Изменения в температуре дна моря, вызванные прорывом средиземноморских вод в голоцене, вместе с соответствием вычисленных тепловых потоков измеренным рассматривались подробно в работе (Галушкин и др., 2006) и обсуждаются ниже.

Согласно расчётам, глубоководная котловина Чёрного моря, в состав которой входят заполненные осадками Восточная и Западная впадины Чёрного моря и рассмотренные участки валов Андрусова и Шатского, характеризуется относительно высоким термическим режимом как литосферы в целом, так и покрывающей осадочной толщи. Хотя в мелу и палеоцене-эоцене заметен эффект остывания литосферы от прогретого начального состояния с тепловым потоком q»100 мВт/м², однако растяжение литосферы (или эрозия коры снизу при подъёме астеносферных диапиров) вместе с эффектом выделения скрытой теплоты плавления существенно замедляли этот процесс, а в плиоцен-голоценовое время, характеризовавшееся максимальной скоростью утонения коры, вызвали даже небольшой подъём изотерм (рис. 7-15, 8-15). Как результат, породы в основании современной осадочной толщи обеих впадин (псевдоскв. 1 и 2) достигают температур выше 250°С, а в разрезах валов Шатского и Андрусова слегка превосходят 160°С (рис. 7-15).

Рассчитанный в модели современный тепловой поток на поверхности осадков (без учёта прогревающего влияния прорыва вод Средиземного моря), составляет 58.6 мВт/м² и 52.5 мВт/м² для Восточной и Западной впадин, соответственно. При этом в Западной впадине (в районе псевдоскв. 2) тепловой поток через поверхность фундамента оказывается ниже поверхностного всего лишь на 1.8 мВт/м² , тогда как в Восточной на 8.3 мВт/м². Это обусловлено различным вкладом нестационарного эффекта понижения теплового потока за счёт скоростей седиментации в западной и восточной котловинах. В самом деле, согласно табл. 1-15, в районе псевдоскважины 2 западной котловины в последние 1.8 млн лет отложилось 1400 м глинисто-песчаной толщи, тогда как в восточной всего 480 м. Рассчитанный тепловой поток через поверхность дна моря в районе валов Андрусова и Шатского составлял около 64 и 68 мВт/м², соответственно (рис. 8-15). С учётом нестационарного эффекта и вклада радиогенного тепла пород осадков и консолидированной коры тепловые потоки из мантии оказываются близкими для всех четырёх структур и составляют около 50 мВт/м². Такие значения мантийного теплового потока характеризуют довольно высокий термический режим района с заметно сокращённой (по отношению к окружающей суши) мощностью литосферы, составляющей по расчётам в настоящее время около 55 - 58 км для всех четырёх рассмотренных площадей (рис. 8-15). (Повторяем, что глубина подошвы литосферы определялась в нашей модели пересечением текущей геотермы литосферы с кривой солидуса перидотита, содержащего менее 0.2% H₂O из работы (Wylie, 1979; см. главу 5).