Строение и история развития литосферы

Ю. Г. Леонов[1]

Введение: о работах по направлению «Строение и история развития литосферы»

В данном – четвертом томе Трудов Международного Полярного Года (МПГ 2007/2008) отражены результаты исследований, выполненных в России, в рамках направления «Геологическая история и литосфера полярных районов».

Исследования велись по проектам, включенным в международную программу МПГ 2007/08, и по проектам национальным. С формальной точки зрения эти две группы проектов имеют разный статус, но по существу особых различий между ними нет: в том и другом случае работы проведены на ключевых объектах, по проблемам, представляющим интерес для решения региональных и общих проблем геологии и геофизики Арктики, а в плане финансирования – в соответствии с выделенными в той или иной организации средствами. По рассматриваемому направлению, силами организаций Российской академии наук (РАН) и Министерства природных ресурсов (МПР РФ), а точнее – входящего в его состав Федерального Агентства по недропользованию (Роснедра), было реализовано около 30 проектов. Некоторые проекты выполнялись смешанными коллективами и частично с международным участием. Из общего числа проектов 6–7 проектов относится к Антарктике, остальные – к Арктике.

Стратегическое руководство исследованиями и мероприятиями Полярного года осуществлял Национальный Оргкомитет по участию Российской Федерации в подготовке и проведении мероприятий в рамках Международного полярного года под руководством двух сопредседателей А.И. Бедрицкого – Руководителя Росгидромета и А.Н. Чилингарова – специального представителя Президента РФ по международному сотрудничеству в Арктике и Антарктике. Оперативная координационная работа выполнялась специально созданным Межведомственным научно-координационным Комитетом (МНКК), успешная деятельность которого была обеспечена Председателем Комитета И.Е. Фроловым (директором Арктического и Антарктического научно-исследовательского института), заместителем Председателя А.И. Даниловым и ученым секретарем В.Г. Дмитриевым.

Полярные исследования 2007–2008 годов в значительной части проводились под флагом МПГ 2007/08. Но не все. Здесь необходимо подчеркнуть, что кроме них были и другие – плановые работы различных организаций, формально не включенные в программы МПГ 2007/08. В данной книге, имеющей определенную направленность, они, как правило, не рассматриваются, хотя их итоги не менее важны. Вообще же результаты и достижения МПГ 2007/08, сколь бы примечательны они не были, невозможно обособить от большого и многообразного комплекса исследований, постоянно ведущихся в полярных областях. Проблемы, задачи Полярного года в большинстве своем возникли не вдруг и не на пустом месте, и по истечении Полярного года исследования не заканчиваются. Это – хоть и важный и яркий, но все-таки лишь этап в изучении полярных областей.

Что касается «года» – то это понятие в данном случае условное: на самом деле он продолжался два календарных года 2007 и 2008, а если к этому прибавить время на подготовительные мероприятия и завершающую обработку материалов, то этот срок еще увеличивается.

Знакомясь с результатами геологических и геофизических работ Полярного года, изложенными в данной книге, следует, в частности, иметь в виду, что в годы, предшествовавшие МПГ 2007/08 в России было опубликовано много работ – статей, монографий, сборников, карт, в том числе и таких, в которых подводятся итоги (не обязательно окончательные) по тем или иным направлениям и проблемам изучения Арктики и Антарктики по состоянию примерно на начало – отчасти середину первого десятилетия текущего века. Перечислить даже самые значительные из них невозможно. Но ряд работ обращает на себя особое внимание. К их числу относятся, например, подготовленные большими авторскими коллективами публикации, в которых заключена огромная информация: серия тектонических карт для краевых арктических (и дальневосточных) морей, составленных под руководством Н.А. Богданова и В.Е. Хаина, монументальные сборники – «Российская Арктика» (СПб, 2002 г.), посвященный 80-летнему юбилею И.С. Грамберга, и «60 лет в Арктике, Антарктике и Мировом океане» (СПб, 2008), посвященный 60-летию ВНИИОкеангеология.

Новые данные, полученные по проектам МПГ 2007/08, пополняют имеющуюся информацию, по ряду направлений существенно. И, что весьма важно, благодаря Полярному году удалось, с одной стороны, завершить и подвести итоги по некоторым темам и направлениям, материал по которым накапливался годами, с другой – инициировать некоторые новые важные исследования.

Данная книга дает довольно полное представление о выполненных работах и полученных результатах. Вместе с тем, написана она, если можно так сказать, «по свежим следам», и поэтому кое-что из представленных в ней материалов подлежит дальнейшей обработке и обдумыванию.

Содержание книги говорит само за себя, так что комментарии могут быть сведены к минимуму.

Материал сгруппирован в нескольких разделах; прежде всего, выделены разделы (части) по Антарктике и Арктике.

В Антарктиде выполнены сухопутные и морские исследования.

На материке изучались проблемы докембрийской геологии, были обобщены (с составлением карты) данные по подледному рельефу. Кроме того, в процессе работы по международному проекту «TEMPORE», ориентированному на составление новой тектонической карты Антарктиды (в паре с аналогичной картой для Арктики), был обобщен огромный материал и предложен синтез тектонической истории Антарктиды на уровне её современной изученности и в свете современного состояния геодинамических идей (статья: Г.Э. Грикуров и др.).

В антарктических водах проведены два цикла морских экспедиций. Один из них – экспедиции института ВНИИОкеангеология и Полярной морской геолого-разведочной экспедиции (ПМГРЭ) с участием Института Вегенера (Германия) на двух научно-исследовательских судах – «Александр Карпинский» и «Polarstern» в антарктической части Индийского океана (море Содружества, море Дейвиса, плато Кергелен). Второй цикл – экспедиции Института геохимии и аналитической химии им В.Н.Вернадского (ГЕОХИ РАН) на судне «Академик Петров» в море Скоша и в Тасмано-Антарктическом проходе. Полученные данные изложены в статьях Г.Л. Лейченкова и др. и Г.Б. Удинцева и др.

В Арктике тематика работ отличалась большим разнообразием. Из морских работ следует упомянуть цикл экспедиций Геологического института (ГИН РАН) совместно с Норвежским нефтяным Директоратом и при участии сотрудников Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского (ГЕОХИ РАН) на научно-исследовательском судне «Академик Н.Страхов». Исследования имели комплексный характер и велись по линии нескольких проектов МПГ 2007/08. Район экспедиций располагался в северной части шельфа Баренцева моря с детальными работами на трех полигонах: в водах к юго-западу от архипелага Земля Франца Иосифа (полигон «ЗФИ»), непосредственно к востоку от о. Северо-Восточная Земля архипелага Шпицберген (полигон «желоб Орла-Стурё»), в треугольнике между архипелагом Шпицберген, о. Медвежий и хр. Книпповича (в «устье» Медвежинского желоба). Интересы лежали в области изучения малоисследованных проблем геодинамики области перехода от континента к океану с акцентом на изучении верхних горизонтов чехла, рельефа морского дна, особенностей магматизма и геотермического режима. Изучение этих элементов дополнялось выборочными исследованиями на островной суше (Шпицберген и Земля Франца Иосифа) и в Северной Атлантике (хр. Книпповича и область континентального склона).

Материалы указанных экспедиций изложены в нескольких статьях в разделе 2 «Геология и геофизика морского дна, морские экспедиции в Арктике». В этом же разделе помещена статья (О.В. Петров и др.) с описанием гранитов из донных осадков в подножье хр. Ломоносова, имеющая отношение к проблеме тектонической природы хребта.

В нескольких районах Арктики проведены (в основном, как продолжение или завершение работ прежних лет) наземные геологические и геофизические исследования. Их результаты представлены в статьях раздела 3 «Геологическое строение районов и тектонических элементов Арктики». Исследования направлены на решение крупных задач регионального характера. Но, помимо этого, полученные данные во многих случаях дают ценный материал для выводов и создания моделей более общего порядка. В большей или меньшей степени они могут быть использованы, и используются авторами, для контроля за построениями, относящимися к внутренним частям Арктического бассейна.

Сказанное относится ко многим работам по шельфовому и материковому обрамлению восточной половины Арктического бассейна, в особенности Канадской котловины, существующие схемы геологического строения которой почти все малоубедительны. Это придает особое значение работам, выполненным в группе Новосибирских о-вов (в течение МПГ 2007/08 на островах Столбовой и Бельковский) (статья: А.Б.Кузьмичев, М.К.Данукалова), материал которых использован для тестирования существующих моделей раскрытия бассейна, и на о. Врангеля, играющем важную роль в палеотектонических реконструкциях мелового Южно-Анюйского океана – одного из ключевых элементов Восточной Арктики (статья: С.Д. Соколов и др.).

К этой же категории работ, дающих материал для обсуждения дискуссионных проблем геологии Арктики, относятся: уточнение модели современной геодинамики Северного Верхоянья и моря Лаптевых – района, играющего ключевую роль в вопросе продолжения на континенте спредингового хребта Гаккеля (статья: Л.П. Имаева и др.); разработка уточненной схемы корреляции каледонских структур Атлантического сектора Арктики (проект А.М. Тебенькова); существенные уточнения, касающиеся петрохимии и хронологии формирования мезозойских магматических комплексов о-вов ЗФИ и их положения в геодинамической истории Баренцевоморской области (статья: Э.В. Шипилов, Ю.В. Карякин).

Проблемы тектоники и строения земной коры материковой части и шельфа Западной Арктики, решались в проектах, посвященных изучению района Белого и южной части Баренцева морей. Для этого района, во-первых, составлена новая тектоническая карта, акцент в которой сделан на рифейских и палеозойских рифтах – важном структурообразующем элементе коры (статья: А.С. Балуев и др), во-вторых, создана сейсмогеологическая модель литосферы по профилю ГСЗ-ОГТ, проходящему по суше и акватории Белого моря (статья: А.И.Слабунов и др.).

В плане обобщающих исследований особое место принадлежит разработке панарктических (или циркумарктических) стратиграфических схем. В течение МПГ 2007/08 силами сотрудников нескольких институтов РАН, организаций агентства Роснедра, МГУ и ряда других госуниверситетов, был выполнен очередной, если и не завершающий, то позволяющий расставит многие точки над «i» этап исследований для мезозоя. Район полевых работ охватывал полярные и приполярные территории Евразии от Шпицбергена до Новосибирских островов. Но основе полученных материалов созданы новые реконструкции палеогеографической, гидрологической и климатической ситуации на территории Арктики (статья: В.А. Захаров и др.). Одновременно сделаны серьезные шаги по увязке реперных элементов арктических (бореальных) и южных (тетических) стратиграфических схем. В частности, впервые за более чем столетний период усилий специалистов Западной Европы и Северной Америки осуществлена прямая бореально-тетическая корреляция пограничных между юрой и мелом слоев Арктики и Западной Европы.

Заметное место в отмеченных работах занимало изучение изменений климата в геологическом прошлом. Смысл такого рода работ для изучения закономерностей изменений климата, а также их влияния на окружающую среду, очевиден. Экскурсы в геологическое прошлое позволяют реконструировать не только краткосрочные (высокочастотные) флуктуации, но и долгосрочные тренды климатических изменений, помогают понять механизмы влияния климата и его изменений на биосферу, включая и человека в ранние периоды его существования. При этом Арктика с её контрастами дает в этом отношении особо интересный материал.

Кроме указанных работ, было выполнено целенаправленное исследование климата середины мелового периода по ископаемым флорам с островов Котельный и Новая Сибирь в архипелаге Новосибирских островов с применением специальных методик. Оно показало (статья: А.Б. Герман и др. в разделе 4), что в Арктике в это время существовал влажный, умеренно-теплый климат с теплыми летними температурами и мягкими зимами, благоприятный для теплолюбивых растений и некоторых групп животных, включая, например, крупных динозавров.

Несколько проектов было посвящено климату и палеогеографическим реконструкциям четвертичного периода, частично объединенных в кластеры по территориальному признаку. Соответствующие статьи составляют раздел 5 «Климат и палеогеография четвертичного периода». Предметом исследований являлись: четвертичная история седиментации на хр. Ломоносова (статья: М.А. Левитан и др.); создание новой стратиграфической схемы четвертичных отложений Новосибирских островов и Яно-Индигирской низменности (статья: А.Э. Басилян, П.А. Никольский); реконструкция палеоэкологических обстановок плейстоцена – голоцена в Кольском регионе (статья: В.Я. Евзеров и др.); создание схемы корреляции событий плейстоцена-голоцена Арктики и внеарктической области (статья Ю.А. Лаврушина).

Наиболее крупное исследование из этого цикла связано с выполнением многолетнего международного проекта «Инициальное заселение Арктики человеком в условиях меняющейся природной среды» (статья А.А. Величко и др.). В проекте участвовали несколько Институтов РАН, Российской академии медицинских наук, научные организации и университеты Норвегии, Великобритании, США, Дании. В течение МПГ 2007/08 выполнен завершающий этап работ, которые позволили не только реконструировать условия обитания и пути расселения древнего населения Северной Евразии, но и выявить корреляцию импульсов заселения и рецессии (обратной миграции) с климатическими эпохами.

В следующий раздел книги (раздел 6) вынесены статьи по некоторым общим проблемам Арктики.

На фоне позднедокембрийской – раннепалеозойской истории Западной (в основном) Арктики анализируется проблема существования палеоконтинента Арктида (статья: Н.Б. Кузнецов). Это, безусловно, очень важная проблема геологии Арктики, хотя правильнее, думается, было бы употреблять не этот введенный Л.П. Зоненшайном и его соавторами термин, а первоначальное, введенное Н.С. Шатским, название – Гиперборейский континент или Гиперборейская платформа. Так, кстати, и поступают многие современные авторы, высказывающиеся, в том числе основываясь на другом материале и других соображениях (как, например, В.Я. Кабаньков и др.), в пользу существования этого тектонического элемента.

Здесь же помещена статья, посвященная характеристике геотермического поля Западно-Арктического региона и вытекающих из его анализа выводов, включая выводы прикладного характера (статья: М.Д. Хуторской и др.). В этом перечне следует упомянуть также о реализации под руководством О.В. Петрова большого международного проекта «Атлас геологических карт циркумполярной Арктики».

В заключительном разделе (раздел 7) рассматривается проблема границы зоны экономических интересов России, известная также под названием «проблемы ВГКШ» – внешней границы континентального шельфа. Её анализу был посвящен специальный проект, завершившийся разработкой (уточнением) модели строения земной коры и реконструкцией геологической истории области Центрально-Арктических поднятий (статья: В.А. Поселов и др.). На уровне имеющегося на сегодня материала представлены аргументы в подтверждение континентальной природы коры главных тектонических элементов (поднятий) этой области и, прежде всего, хр. Ломоносова и поднятия Менделеева.

Несколько слов о совещаниях. В связи с Полярным годом было проведено довольно много совещаний, конференций, даже конгрессов (как, например, несколько сессий «Северного конгресса» в Сыктывкаре и Москве). Большинство из них включало разнообразную тематику. Но описываемому здесь геолого-геофизическому направлению были специально посвящены, как минимум, два представительных совещания. Одно из них – Тектоническое совещание «Геология полярных областей Земли» (Москва, февраль 2009 г. – с более чем 300 участниками) было организовано Межведомственным тектоническим комитетом ОНЗ РАН совместно с Федеральным агентством Роснедра и МГУ. Второе – Международная конференция «Путь на север: окружающая среда и самые ранние обитатели Арктики и Субарктики» (Москва, декабрь 2008 г. – с числом участников около 100) было организовано Институтом географии РАН; А.А.Величко). Материалы того и другого совещаний опубликованы в виде сборника статей «Геология полярных областей Земли» в двух томах (2009 г.) и коллективной монографии «Путь на север: окружающая среда и самые ранние обитатели Арктики и Субарктики» (2008 г.).

И уж раз зашла речь о публикациях, то нельзя не отметить очень полезное периодическое издание – журнал «Новости МПГ», регулярные выпуски которого были налажены Межведомственным научно-координационным Комитетом. В нем оперативно печатались статьи научного и информационного характера по широкому спектру проблем МПГ 2007/08.

В завершение данного вводного обзора хотелось бы упомянуть о двух мероприятиях особого рода, имевших место в начале Полярного года.

В определенном смысле как пролог к активности МПГ 2007/08 в нашей стране можно рассматривать высокоширотную глубоководную экспедицию к Северному полюсу, организованную А.Н. Чилингаровым в июле – августе 2007 г. Экспедиция проходила на двух судах – научно-экспедиционном судне «Академик Федоров» и атомном ледоколе «Россия» с погружением на дно Северного Ледовитого океана в подводных управляемых аппаратах МИР-1 и МИР-2. Экспедиция широко освещена в литературе, прессе, других средствах массовой информации, и повторяться не имеет смысла. Но хотелось бы напомнить о том большом резонансе, который она вызвала в России и за рубежом. Она продемонстрировала возможности страны, Российской академии наук, в составе которой функционируют МИРы, привела к всплеску общественного и научного интереса к Арктике, стимулировала активность в её исследовании.

Задачи экспедиции, помимо погружения на дно океана в точке Северного Полюса, в основном были связаны с гидрографией, метеорологией, изучением ледяного покрова и т. п. Объем геологических и геофизических исследований был скромным. Тем не менее, и в этой области удалось получить некоторые важные данные. Наиболее интересный результат, уже отмеченный выше, связан с исследованием донных осадков из района подножья хр. Ломоносова вблизи Северного полюса. В них обнаружены мелкие обломки гранитов архейского возраста, источником которых, скорее всего, является хр. Ломоносова. Эти данные могут иметь критическое значение для определения типа коры в хр. Ломоносова, с чем, в свою очередь, связано обоснование границ зоны экономических интересов России.

Второе мероприятие, не столь яркое, но хронологически связанное с Полярным годом – экспедиция в Антарктиду к Полюсу недоступности, организованная шведским предпринимателем, путешественником и ученым Фредериком Паулсеном (опускавшимся на дно Ледовитого океана во время вышеупомянутой экспедиции А.Н. Чилингарова в составе экипажа глубоководного аппарата «МИР-2»). Это, не научное и к тому же, в отличие от предыдущего, не получившее широкого резонанса, событие, заслуживает упоминания по той причине, что имеет прямое отношение к одной из знаменательных вех в истории российских антарктических исследований. Экспедиция носила мемориальный характер: она была задумана в ознаменование 50-летия покорения Полюса недоступности Советской антарктической экспедицией в 1958 г. От Российской академии наук в экспедиции Ф. Паулсена участвовали В.Е. Фортов и Ю.Г. Леонов. Мемориальный поход состоялся в первой половине января 2008 года. Как и пятьдесят лет назад, он был выполнен в санно-тракторном варианте по маршруту технически более простому, но более высотному (3000 м и выше). Исходным пунктом был Южный полюс. План Ф.Паулсена был реализован, хотя из-за поломки вездехода санно-тракторный поезд с участниками экспедиции вынужден был остановиться, несколько не дойдя до Полюса недоступности, и акция была завершена с помощью авиации.

Г.Л. Лейченков[2], Ю.Б. Гусева[3], В.В. Гандюхин[4], К. Голь[5], С.В. Иванов[6], А.В. Голынский[7], А.Ю. Казанков[8]

Тектоническое развитие земной коры и формирование осадочного чехла в антарктической части Индийского океана (море Содружества, море Дейвиса, плато Кергелен)

Введение

В начале 2007 г. в антарктической части Индийского океана были выполнены совместные российско-германские геофизические исследования по проекту 3-го международного полярного года (МПГ 2007/2008 гг.) «История геодинамического развития, осадконакопления и изменений природной среды бассейна моря Содружества и южной части плато Кергелен (Восточная Антарктика)». В осуществлении проекта с российской стороны принимали участие специалисты ПМГРЭ и ВНИИОкеангеология, а со стороны немецких партнеров – ученые из Института Альфреда Вегенера (AWI) и Института геонаук и природных ресурсов Германии (BGR). Работы проводились с использованием двух научно-исследовательских судов НИС «Академик Александр Карпинский» (ПМГРЭ) и НИС «Поларштерн» (AWI). Площадь исследований охватывала акватории моря Содружества, восточной части котловины Эндерби, трога Принцессы Елизаветы и юго-западной части плато Кергелен (рис. 1).

Основными научными задачами исследований по проекту являлись: 1) изучение механизма, геометрии и продолжительности растяжения континентальной коры; 2) изучение структурных параметров, физических свойств и взаимоотношения рифтогенной континентальной, океанической и утолщенной магматической коры района плато Кергелен; 3) идентификация границы между корой континентального и океанического типов и реконструкция истории раннего спрединга морского дна Индийского океана; 4) определение природы земной коры южной части плато Кергелен; 5) реконструкция обстановок осадконакопления на континентальной окраине Антарктиды в мезозойско-кайнозойское время.

В состав совместных исследований входили: многоканальное сейсмическое профилирование методом общей глубинной точки (МОГТ), сопровождаемое измерениями гравитационного и магнитного поля, глубинные сейсмические зондирования (ГСЗ) с использованием подводных трехкомпонентных сейсмостанций (выполнялись немецкими специалистами), широкоугольное сейсмическое профилирование с одновременным использованием двух судов и аэромагнитные съемки с вертолета, размещавшегося на НИС «Поларштерн». В 2009 г. российские ученые продолжили исследования по проекту МПГ, изучив акваторию, расположенную к востоку от района совместных российско-немецких работ, которая включала юго-восточную часть плато Кергелен, море Дейвиса и глубоководную котловину Лабуан (рис. 1). Необычно суровая для антарктического лета ледовая обстановка, которая сложилась в период проведения работ в обоих полевых сезонах, не позволила выполнить геофизические наблюдения на шельфах, как это планировалось (южные окончания профилей, выполненных в 2007 и 2009 гг. фактически оконтуривают северную кромку ледяных полей; рис. 1).

Рис. 1. Схема сейсмических исследований в море Содружества, море Дейвиса и южной части плато Кергелен. 1–4 – профили ОГТ, выполненные экспедициями СССР/РФ (1), Австралии (2), Японии (3), по проекту МПГ (4); 5–7 – пункты зондирований МПВ, выполненные экспедициями: СССР/РФ (5), Австралии (6), по проекту МПГ (7); 8 – положение скважин глубоководного бурение по проектам ODP и их номера; 9 – изобаты (в метрах)

В результате исследований по проекту МПГ в сезон 2007 г. было выполнено 5000 км сейсмических, более 5500 гравитационных, 13 000 магнитных (морских и воздушных) наблюдений и произведено 39 постановок донных станций на двух меридионально ориентированных профилях МОГТ, а в сезон 2009 г. – 3000 км сейсмических, 6500 км гравитационных и 6000 магнитных наблюдений, а также 26 зондирований методом преломленных волн (МПВ) с применением радиобуев (рис. 1). Для производства работ МОГТ использовался сейсмический комплекс MSX-6000 фирмы «INPUT/OUTPUT Inc.» включающий цифровую 352-канальную приемную расстановку (косу) длиной 4500 м и две линии групповых пневмоисточников общим объемом от 20 до 38 литров.