ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ МИКРОКОНТИНЕНТОВ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ МИКРОКОНТИНЕНТОВ
ЭЛАН И ЯН-МАЙЕН (ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ)
А.И. Макушкина, Е.П. Дубинин, А.Л. Грохольский
Музей Землеведения Московского Государственного
anya.makushkina@gmail.com; edubinin08@rambler.ru
Университета
им.
М.
В.Ломоносова
(МГУ),
ВВЕДЕНИЕ
Исследования океана с середины прошлого века привели к революции в геологии и
становлению тектоники плит. В частности были выявлены разнообразные формы рельефа океана и
предложены геодинамические модели для объяснения в первую очередь структур, находящихся на
границах литосферных плит. Наибольшую сложность на данный момент представляет собой
объяснение природы внутриплитных поднятий.
Океанические поднятия широко распространены в рельефе Мирового океана и могут иметь
различную природу образования и различную морфологическую выраженность. Условно их можно
разделить на несколько типов:
 острова вулканического происхождения;
 линейно вытянутые асейсмичные поднятия вулканического происхождения;
 изометричные поднятия и плато;
 микроконтиненты (изолированные блоки континентальной коры в структуре
океанической), возвышающиеся над уровнем моря в виде островов, или погруженные.
В данной работе рассматриваются хребет Ян Майен, расположенный в Северной Атлантике и
банка Элан, расположенная в южной части Индийского океана в районе плато Кергелен. Они
являются изолированными блоками, сложенными полностью или частично континентальной корой.
История их образования подразумевает наличие перескока спредингового хребта с одной стороны
будущего микроблока на другую (в сторону континента) и последующее полное отделение блока
континентальной коры от материка.
Основные этапы эволюции банки Элан и хребта Ян-Майен рассмотрены в работах
[Radhakrishna et al., 2012b] и [Gaina et al., 2009]. Они представлены на (рис. 1). Первый этап является
предраскольным и характеризуется формированием фона напряжений растяжения (рис. 1). На этом
этапе происходит заложение и развитие рифтогенных структур, часто наследующих структурные
неоднородности кратонов или древних складчатых зон. Для блока Элан он длился до 130 млн. лет
назад, а для блока Ян-Майен до 55.9 млн. лет назад. Сложное строение Индийской окраины
определяется наличием древнего архейского кратона Дхарвар-Бастар, подвижного пояса и осадочных
бассейнов, заложенных по древним областям рифтогенеза. Многим структурам, таким как грабен
Пранхита-Годавари, найдены сопряженные структуры на Антарктической окраине. Атлантические
окраины отличаются не менее сложным строением. Самые древние рифтогенные структуры,
найденные здесь, имеют позднекаменноугольный возраст [Mosar et al., 2002], или, по меньшей мере,
позднеюрский [Dore et al., 1999]. Сложная история рифтогенеза здесь также во многом зависела от
строения литосферы окраин, чередования в ней блоков архейского кратона и каледонского
складчатого пояса. На втором этапе (рис. 1) произошло утонение коры и начало обособления
микроконтинентального блока возможно, вызванное воздействием горячей точки (125 млн. лет назад
для банки Элан, 30 млн. лет назад для хребта Ян-Майен). На третьем этапе (рис. 1) произошел
перескок оси спрединга в пределы континентальной окраины ("вторичный" раскол и спрединг),
приводящий к отделению микроконтинента (банка Элан отделилась от Индийской окраины, и
началось образование нового спредингового хребта; спрединг в Северной Атлантике пошел на хребте
Кольбенсей, хребет Ян-Майен отделился от окраины Гренландии).
Рис. 1. Основные этапы эволюции банки Элана (А, B, C) и хребта Ян-Майен (a, b, c) в реконструкциях
[Radhakrishna et al., 2012b] и [Gaina et al., 2009], соответственно. Показаны три основных этапа эволюции
микроконтинентов Элан и Ян-Майен: (1) первоначальный спрединг (в бассейне Эндерби для банки Элан, и на
хребте Эгир для хребта Ян-Майен); (2) утонение коры и начало обособления микроконтинентального блока
возможно, вызванное воздействием горячей точки (125 млн. лет назад для банки Элан, 30 млн. лет назад для
хребта Ян-Майен); (3) перескок оси спрединга, "вторичный" раскол и спрединг - отделение микроконтинента
(банка Элан отделилась от Индийской окраины, началось образование Юго-Восточного Индийского хребта;
спрединг в Северной Атлантике идет на хребте Кольбенсей, хребет Ян-Майен отделился от окраины Гренландии,
прекратился спрединга на хребте Эгир). SGT - Южный Гранулитовый террейн, EGMB- подвижный пояс
Восточный Гат, MG - грабен Маханади, MR - земля МакРобертсона, PB - залив Прюдс, LR - рифт Ламберт, RG ледник ледник Роберт, NC - комплекс Напьер, RC - комплекс Райнер, PCM - горы Принца Чарльза, PGG - грабен
Пранхита-Годавари. POC - протоокеаническая кора, ХЭ – хребет Эгир, ЯМ – хребет Ян-Майен, ХК – хребет
Кольбенсей, ГТ – горячая точка, EUR – Европейская континентальная окраина, GRN – Гренланская
континентальная окраина
Некоторые исследователи считают, что перескок оси спрединга из бассейна Эндерби в область
между банкой Элан и Индийской окраиной [Radhakrishna et al., 2012b] не связан во времени и
пространстве с главной стадией континентального раскола (133 млн. лет назад, хрон M11
[Coffin et al., 2002]) и образованием вулканических окраин.
В случае эволюции Северной Атлантики неожиданным является то, что даже при наличии
плюма в этой области, объем вулканизма на окраинах остается сравнительно небольшим [Gernigon et
al., 2006], а некоторые окраины являются амагматичными, как например западная окраина
микроконтинента Ян-Майен [Peron-Pindivic et al., 2012]. В период активного рифтинга между блоком
Ян-Майен и Гренландией (хрон С21 - 47,5 млн. лет назад) горячая точка могла быть удалена от места
раскола на 300-400 км [Gaina et al., 2009]. Это свидетельствует о том, что действие горячей точки
могло быть не основным фактором, при образовании микроконтинента Ян-Майен.
МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Исследования осуществлялись в лаборатории физического моделирования Музея Землеведения
МГУ. Эксперименты проводились в соответствии с условиями подобия и методиками, описанными в
работах [Шеменда, 1983; Грохольский, Дубинин, 2006; Грохольский и др., 2012]. Модельное
вещество представляет собой сложную коллоидную систему, основой которой являются жидкие
(минеральное масло) и твердые (церезин, парафин) углеводороды с различными поверхностноактивными добавками.
Рис. 2. Методика подготовки эксперимента [Грохольский, Дубинин, 2006]
Экспериментальная установка представляет собой текстолитовую ванну с поршнем,
движущимся с помощью электромеханического привода. Равномерное температурное поле
модельного вещества обеспечивают обогреватели, расположенные внутри установки.
Электромеханический привод позволяет варьировать скорости деформации модельной плиты.
Применяемые методики дают возможность создавать обстановки ортогонального, или косого
растяжения. Изменение длительности охлаждения при подготовке модельной плиты обеспечивает
различное соотношение ее хрупкого и пластичного слоев [Грохольский, Дубинин, 2006]. При
проведении эксперимента вещество нагревается в установке до определенной температуры (43°С),
при условии поддержания фиксированного температурного режима в лаборатории (22.5-25.5°С)
(рис. 2А). Затем начинается процесс охлаждения равномерно расплавленного модельного вещества –
образуется корка (модельная литосфера), которая приваривается к поршню и противоположной
стенке ванны (рис. 2Б). После того как модельная плита достигает необходимой для данного
эксперимента толщины (H в описании экспериментов), начинается ее горизонтальное растяжение.
При необходимости заложения ослабленной или более прочной зоны – вырезалась часть плиты, и,
соответственно модельная литосфера в этой области имела меньшую мощность за счет меньшего
времени охлаждения (рис. 2 В,Г).
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
моделирование проводилось по трем экспериментальным сериям:
 образование микроблока за счет встречного продвижения трещин в однородной модельной
плите (рис. 3) (отработка геометрии заложения первоначальных разрезов, целесообразность
заложение вместо них ослабленных зон, исследование горизонтального и вертикального
вращения микроблока);
 влияние горячей точки (локального источника нагрева ЛИН) на образование микроблока при
встречном продвижении трещин в однородной модельной плите (рис. 3) (отработка возможности
перескока или отклонения оси растяжения под воздействием горячей точки);
 влияние структурной неоднородности на образование микроблока при встречном продвижении
трещин (рис. 3) (исследование влияния ослабленной зоны и прочного блока различной
геометрии, исследование возможности образования микроблока за счет геометрии структурных
границ).
Рис. 3. Схема (в плане) и параметры экспериментов 1, 2 и 3 серии
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Экспериментальная серия №1
В первой серии исследовались закономерности структурообразования в зависимости от
геометрии заложения первоначальных разрезов (рис. 3), а именно их смещения друг относительно
друга (x), длины (L1 и L2) и угла наклона (β), относительно границы плиты, целесообразность
использования ослабленных зон вместо разрезов. Последовательно отрабатывалось влияние каждого
параметра. Здесь же проводилось исследование вращения микроблока в вертикальной и
горизонтальной плоскостях. В проведенных экспериментах микроблоки формировались за счет
развития перекрытия рифтовых трещин.
Расположение перекрытия
Встречное продвижение трещин формировало перекрытия в разных частях плиты. В экспериментах
перекрытие было расположено:
 в центре плиты;
 в верхней части плиты;
 в нижней части плиты (эксп. 1292 (рис. 4)).
Перекрытие в экспериментах было:
 овальной формы (эксп. 1292 (рис. 4)) (трещины немного отклоняются друг от друга, а затем
приближаются);
 прямоугольной формы (трещины продвигаются параллельно друг другу, а затем формируется
трещина их соединяющая).
Размер микроблока
В целом во всех экспериментах микроблоки похожи по длине (размер по оси,
перпендикулярной направлению растяжения) и составляют от 1/3 до 1/4 длины плиты (размер плиты
по оси, перпендикулярной направлению растяжению), однако, в некоторых экспериментах они были
очень маленькими и не превышали по длине 1/10 длины модельной плиты. В некоторых
экспериментах микроблоки наоборот достигали длиной 1/2 длины плиты.
Вращение микроблока
В процессе
формирования микроблок вращается пока идет растяжения по двум
перекрывающимся осям. Почти во всех экспериментах, образование изолированного микроблока
сопровождается вертикальным вращением. Вращение микроблока могло происходить как в
горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. В большинстве экспериментов полного отделения
микроблока не произошло, он остался «связанным» с одной из материнских окраин.
Полное обособление микроблока
В ходе исследования было обнаружено, что в однородной среде полное обособление
микроблока от материнской плиты происходит довольно редко. Как правило, оно сопровождаться его
поворотом вплоть до 90 в вертикальной плоскости.
Рис. 4. Эксперимент 1292. Овальное перекрытие трещин смещено в нижнюю часть плиты
Параметры: V = 1,67 *10-5 м/с, Hl= 3×10-3 м, плита 20×12 (l×w) см, L1 = 4×10 -2 м, L2 = 4×10-2 м, x = 3,5×10-2 м
Экспериментальная серия №2
В этой экспериментальной серии исследовалась возможность перескока или отклонения оси
растяжения под воздействием термической аномалии, вызванной горячей точкой (рис.3). В качестве
модельной горячей точки использовался локальный источник нагрева (ЛИН). ЛИН располагался в
различных местах модельной плиты (параметры a, b), исследовалось оптимальное время влияния
горячей точки и дальнейшего охлаждения.
Всего было проведено 9 экспериментов с горячей точкой, один из которых представлен на
(рис. 5). В экспериментах была показана возможность перескока оси растяжения под влиянием
термической аномалии. Эксперименты показали, чтобы отклонить ось растяжения горячая точка
должна располагаться на литосфере малой (ослабленной) мощности или остановка растяжения
должна производиться на более длительный период.
Рис. 5. Эксперимент 1432. Эксперимент с горячей точкой (внесена на стадии 3). Изменение формы микрокблока
за счет влияния горячей точки.
Параметры: V = 1,67 *10-5 м/с, Hl= 3×10-3 м, плита 21×16 см
Экспериментальная серия №3
В последней экспериментальной серии исследовалось поведение встречных трещин при
наличии в модельной плите ослабленной (меньшей мощности и прочности, меньшего времени
охлаждения) или более прочной зоны (большей мощности и прочности, большего времени
охлаждения или дополнительно прокапанного водой). В этих экспериментах изменялись следующие
параметры (рис. 3): ширина неоднородности (w), угол ее заложения относительно направления
растяжения (β), расстояния от границ плит до неоднородности вдоль поршня и/или стенки установки
(a и b).
Рис. 6. Эксперимент 1421. Параметры: V = 1,67×10-5 -3,75×10-5 м/с, Hl= 3×10-3 м, плита 25×15 см, L1 = 3×10-2 м,
L2 = 3×10-2 м, x = 2×10-2 м
Были проведены эксперименты с ослабленной зоной, расположенной параллельно и наклонно
к направлению растяжения. В некоторых экспериментах граница микроблока образовалась по
границе ослабленной зоны, а в некоторых она стала сдвиговой границей. Также были проведены
эксперименты с наличием более прочной зоны в модельной литосфере, расположенной параллельно
и наклонно к направлению растяжения.
При расколе модельных плит различной мощности, рельеф новообразованной литосферы
различается. Так при более высокой мощности материнской плиты образуется более контрастный
рельеф модельной океанической литосферы. В эксперименте 1421 (рис. 6) перескок оси растяжения
произошел благодаря геометрии расположения структурных неоднородностей.
ВЫВОДЫ
1. В экспериментах при встречном продвижении двух трещин, с небольшим смещением
(обычно до 2 см в модели) происходит их перекрытие и образование изолированного блока коры.
Образование микроблоков заключенных между двумя перекрывающимися рифтовыми трещинами,
является результатом разрушения коры, при переходе от рифтинга к спредингу и является
естественным процессом. Микроблоки, как правило, имеют удлиненную форму (3:1) и их размеры в
5-10 раз превышают толщину модельной плиты.
2. В процессе растяжении, после заложения перекрытия трещин, концентрация активных
растягивающих напряжений происходит вдоль одной рифтовой трещины, что, в конце концов,
приводит к формированию вдоль нее новой океанической коры. Блок континентальной коры,
заключенный между двумя рифтовыми трещинами испытывает деформации и вращение, как в
горизонтальной плоскости (по часовой стрелке или против на угол до 90), так и в вертикальной
плоскости, что приводит к явной асимметрии рельефа его поверхности. Поднятый борт поверхности
блока, как правило, располагается на континентальной стороне (1292). Далее, растягивающие
напряжения концентрируются на оси спрединга, которая постепенно удаляется от континентальной
окраины. Вдоль второй рифтовой трещины растягивающие деформации и тектоническая активность
прекращаются и она отмирает. Часто, деформированные континентальные блоки оказываются не
полностью отторженными от окраины материнского континента, а отделёнными от него
палеорифтом.
3. Полное отделение микроблока от материнского континента возможно лишь в некоторых
случаях без экстремального вращения в вертикальной плоскости. Обычно в экспериментах полное
отделение микроблока происходило совместно с вращением его в вертикальной плоскости на 90
градусов и сопутствующей эксгумацией модельной нижней литосферы.
4. Термическое утонение модельной плиты, приводящее также к ее механическому
ослаблению, способно вызвать перескок оси растяжения из установившегося центра спрединга в
ослабленную горячей точкой зону, или вызвать отклонение оси спрединга в сторону горячей точки в
пределах зоны новообразованной океанической коры (1432). В результате этого отклонения иногда
(1432) изменяется форма микроблока, и формируются новые «вторичные» микроблоки.
Экспериментальные исследования показали, что для полного отделения микроблока от
материнской плиты в процессе перехода от континентального рифтинга к океаническому спредингу,
необходимо наличие термо-механических, реологических, или структурно-вещественных
неоднородностей в литосфере, которые приводят к изменению геометрии (перескоку) рифтовых осей.
В случае примеров хребта Ян-Майен и банки Элан, такая термо-механическая аномалия видимо была
связана с действием горячих точек Исландской и Кергелен, соответственно.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты № 15-05-03486).
ЛИТЕРАТУРА
Грохольский А.Л., Дубинин Е.П., Севинян К.Т., Галушкин Ю.И. Экспериментальное моделирование
взаимодействия горячей точки и спредингового хребта (на примере Юго-Восточного Индийского
хребта) // Жизнь Земли. Сб. науч. Тр. Музея Землеведения МГУ. Вып.34. М.: 2012. изд–во МГУ
Грохольский А. Л., Дубинин Е.П. Экспериментальное моделирование структурообразующих
деформаций в рифтовых зонах срединно–океанических хребтов // Геотектоника. 2006. №1. С. 76–
94.
Дубинин Е.П., Ушаков С.А. Океанический рифтогенез. М.: ГЕОС. 2001. 293 с.
Шеменда А.И. Критерии подобия при механическом моделировании тектонических процессов //
Геология и геофизика. 1983. № 10. С.10–19
Coffin, M.F., Pringle, M.S., Duncan, R.A., Gladczenko, T.P., Storey, M., Muller, R.D., and Gahagan, L.A.
Kerguelen hotspot magma output since 130 Ma // J. Petrol. 2002. V.43. №7. P. 1121-1139.
Doré A.G., Lundin E.R., Jensen L.N., Birkeland Ø., Eliassen P.E., Fichler C. Proncipal tectonic events in the
evolution of the northwest European Atlantic margin // Petroleum Geology of Northwest Europe:
Proceedings of the 5th Conference. 1999. P.41-61.
Gernigon, L., Lucazeau, F., Brigaud, F., Ringenbach, J.C., Planke, S. & Le Gall, B. A moderate melting
model for the Voring margin (Norway) based on structural observations and a thermo-kinematical
modelling: Implication for the meaning of the lower crustal bodies // Tectonophysics. 2006. V. 412.
P. 255–278.
Mosar J., Eide E.A., Osmundsen P.T., Sommaruga A., Torsvik T.H. Greenlande Norway separation: a
geodynamic model for the North Atlantic // Norwegian Journal of Geology. 2002. V. 82. P. 281-298.
Peron-Pindivic G., Gernigon L., Gaina C., Ball P. Insights from the Jan Mayen system in the Norwegian–
Greenland sea—I. Mapping of a microcontinent // Geophys. Journ. Int. 2012. V. 191. P. 385-412.
Radhakrishna M., Twinkle D., Satyabrata Nayak, Rabi Bastia, Srinivasa Rao G. Crustal structure and rift
architecture across the KrishnaeGodavari basin in the central Eastern Continental Margin of India based
on analysis of gravity and seismic data // Marine and Petroleum Geology. 2012. V. 37. P. 129-146