И.С. Грамберг, Ю.Г. Киселев, В.В. Коновалов

Сейсмические исследования с дрейфующих станций «Северный Полюс»

Скачать *pdf

УДК 550.834(268)

ВНИИОкеангеология

 

 

Проводимые в Северном Ледовитом океане сейсмические исследования подразделяются на активные и пассивные. Для выполнения первых используются самолеты и вертолеты, совершающие посадки на лед, развертываются временные ледовые базы с системами наблюдений MOB, КМПВ, ГСЗ [Р.М. Деменицкая и др., 1962; Р.М. Деменицкая, 1968; Коротаев и др., 1988]. Вторые - осуществляются одной или двумя одновременно действующими станциями «Северный полюс», дрейфующими на льдинах.

У каждого вида есть свои преимущества и недостатки. Первый не имеет ограничений в выборе объекта и района изучения, способов сейсмических наблюдений. В то же время по климатическим условиям время проведения этих исследований ограничено одним - двумя месяцами (конец марта - начало мая - наиболее благоприятное время для работы авиации), они требуют обеспечения массовых посадок самолетов и вертолетов на дрейфующий дед, сложной организации работ и больших материальных затрат.

Второй ряд исследований может вестись круглый год по мере продвижения станции по океану через различные геоморфологические провинции и не требует столь значительных материальных затрат. Однако из-за небольших размеров льдин, часто возникающих разводий и торосов свободное перемещение персонала станции по льдам затруднено. Поэтому здесь при работах, лишенных поддержки авиации и других специальных транспортных средств, применяется лишь модификация MOB в виде дискретных сейсмозондирований, дающих представление о сейсмогеологическом строении рельефа и структуре дна океана.

Для выполнения работ на поверхности льда применяются крестовая и угловая многоканальная расстановки с базой приема 550×550 или 1150×1150 м, позволяющие определить вдоль линий дрейфа элементы залегания и поверхности льда, и нижележащих отражающих горизонтов [Киселев, 1986; 1987]. В вершине угловой или в центре крестовой расстановок помещают постоянно действующие пункты взрыва. В качестве источника упругих колебаний используют взрыв (в автоматическом или полуавтоматическом режиме) в морской воде подо льдом серии электродетонаторов, запись ведется осциллографическая и магнитная.

Местоположение станций определяется как астрономическим способом, так и с помощью космической навигации. Поскольку наблюдения производятся на поверхности движущегося льда, сейсмические косы испытывают не только поступательное, но и вращательное движения, поэтому на станциях «Северный полюс» постоянно ведется учет их разворота в пространстве.

Советскими специалистами сейсмические работы были поставлены на дрейфующих станциях СП-13, СП-21, СП-22, СП-23, СП-24, СП-26, СП-28, СП-31, что дало возможность осветить геологическое строение почти всех главнейших геоморфологических провинций Арктического бассейна Северного Ледовитого океана (рис. 1).

Рисунок 1

В зависимости от географической локализации начала маршрута дрейфующей станции «Северный полюс» она может попасть в выносной либо в антициклональный дрейф. При антициклональном дрейфе в восточной части Арктического бассейна станция может существовать 10-20 лет, совершая круговой дрейф со все увеличивающимся диаметром (см. линии дрейфа станции Т-3 и СП-22 [А.П. Крэри, Н. Гольдштейн, 1957; Киселев, 1986]). При выносном дрейфе, происходящем с востока на запад, станции проходят расстояние от Аляски до Гренландии за три года со скоростью в среднем 3—5 км в сутки.

Наиболее удобны и безопасны условия жизнедеятельности и работы на станциях, организуемых на ледовых островах (обломках арктических айсбергов) площадью от 15 до 100 км2, с плоской поверхностью и толщиной льда от 8-10 м до 30-45 м. Это достаточно устойчивые ледовые платформы, превосходящие по толщине окружающие паковые поля в 3-10 раз. Однако в Арктическом бассейне они встречаются крайне редко.

Две трети всего объема сейсмических работ были выполнены на ледовых островах (14 рабочих смен из 24) на станциях СП-22, СП-23, СП-24 (таблица, см. рис. 1). Станции СП-13, СП-21, СП-26, СП-28, СП-31 были организованы на многолетних паковых льдах с толщиной льда 2,5-4 м, подвергавшихся в процессе дрейфа многократным разломам. Удержать длительное время на паковом льду больших размеров расстановку достаточно сложно. Основной рабочей расстановкой на таких льдах считается крестовая или угловая с базой приема 550x550 м. На станции «Северный полюс-13» отрабатывалась методика производства MOB, ставились экспериментальные работы по звукометрии и ГСЗ [Киселев, 1986; 1987]. Станция пересекла внешнюю зону шельфа Восточно-Сибирского моря, континентальный склон и южную часть абиссальной равнины Толля (котловины Подводников). Несмотря: на резкое различие геоморфологических особенностей этих участков морского дна, они характеризовались сходным сейсмогеологическим строением. Выделенные комплексы пород I, II, III структурных этажей (койлогенный чехол, платформенные образования и складчатый фундамент) прослеживались и на шельфе, и в глубоководной части океана.

Таблица     Таблица - продолжение

Важнейшим результатом этих работ было установление крупного прогиба, открывающегося в сторону шельфа Восточно-Сибирского моря, заполненного многокилометровой толщей осадочных пород [И.С. Грамберг и др.,. 1974; Киселев, 1986].

На станции «Северный полюс-21» основным видом работ были сейсмозондирования MOB, в результате которых получен разрез строения осадочного чехла и структуры фундамента вкрест простирания поднятия Ломоносова, котловины Амундсена и восточных флангов хребта Гаккеля. В котловине Амундсена был выделен повышающийся к хребту Гаккеля акустический фундамент, отождествляемый в других океанах со вторым океаническим слоем земной коры.

Дрейф станции «Северный полюс-22» проходил вначале в восточном, а затем в западном секторе Арктического глубоководного бассейна. Наиболее важными представляются работы, проведенные в его восточной части, поскольку советских дрейфующих станций ранее там не было. Станция СП-22 прошла над гребнем поднятия Менделеева и плоскогорьем «Север», пересекла котловину Стефансона, в которой была выделена группа поднятий,, получивших в советской литературе [Киселев, 1986] название «Поднятие «СП-22», обследовала южную часть Канадской котловины, вышла на континентальный склон и шельф Чукотского моря, проплыла по Восточно-Сибирскому морю и затем, вовлеченная в общий выносной дрейф, оказалась в западном секторе Арктического бассейна, где пересекла поднятие Ломоносова и приполюсную часть котловины Амундсена, и в связи с опасностью выноса из Арктического бассейна за 50 км до флангов хребта Гаккеля была снята.

26 ноября 1981 г. станция СП-22 находилась в 33 км от Северного полюса; (φ - 89°42,7; λ - 111°04,9). Глубина моря здесь составляла 4245 м, мощность осадочных пород около 2 км (рис. 2). В общей сложности станция продрейфовала 17 тыс. км, из них по генеральному курсу 4840 км. На поднятии Менделеева в гребневой зоне мощность осадочных пород нигде не выходила за пределы 500-800 м, в то время как в Канадской котловине и на шельфе Чукотского моря она достигла 8-10 км. По изменению формы сейсмической записи, условиям залегания отражающих границ раздела, скоростным и акустическим характеристикам выделяются три принципиально различных типа фундамента - кристаллический, складчатый и океанический или базитовый [Киселев, 1986; 1986а]. Первые два развиты на участках с материковым и субматериковым строением коры (шельф, континентальный склон, поднятие Ломоносова, поднятие Менделеева), третий - в центральных частях океанических котловин (с 3 км и глубже).

Рисунок 2

Станция СП-23 большую часть своего пути дрейфовала над гребневой зоной поднятия Ломоносова, периодически отклоняясь к западному либо восточному склону. 16 июня 1978 г. станция подошла к Северному полюсу на расстояние 8 км (φ - 89°55,7; λ - 234°48,1). Глубина моря составляла 4225 м, мощность осадочных пород около 1,5 км (см. рис. 2). В гребневой зоне поднятия Ломоносова был выделен третий структурный этаж, представленный складчатой толщей, выступающей в виде фундамента, и судя по определению возраста образцов донно-каменного материала скорее всего относящийся к породам раннепалеозойского времени.

Начав свой дрейф в центральной части шельфа Восточно-Сибирского моря, станция СП-24 пересекла бровку шельфа, прошла над западной половиной котловины Толля, затем над хребтом Ломоносова и длительное время двигалась вдоль восточной части котловины Амундсена, после чего вновь приблизилась к поднятию Ломоносова и затем резко повернула на запад, проследовала над восточным флангом и гребнем хребта Гаккеля и вошла в рифтовую зону долины.

Один из важнейших результатов работ этой станции - получение непрерывной сейсмической записи на шельфе Восточно-Сибирского моря, континентальном склоне и в пределах абиссальной котловины Толля, из которой следовало, что при переходе от мелководных к глубоководным частям океана резко изменяются мощности осадков верхних и нижних структурных этажей. Мощность осадков, составляющих верхнюю или койлогенную часть разреза (породы I структурного этажа), по мере перехода от внешней зоны шельфа к абиссали увеличивается, а осадков нижних комплексов (породы II структурного этажа) растет в обратном направлении от абиссали к континентальному склону и далее к внешней зоне шельфа Восточно-Сибирского моря, где и фиксируются ее максимальные значения.

Станция СП-26 вследствие высокоширотного положения оказалась вовлеченной в антициклональный дрейф [Ашимхина и др., 1986]. Сейсмический материал был получен по юго-восточной части котловины Толля, южной части поднятия Менделеева и центральной части котловины Североморцев. В котловине Толля на начальном этапе дрейфа мощность осадочных пород составляла 3 км, в гребневой зоне не более 500 м. А по мере уменьшения глубин моря, восхождения к гребневой зоне поднятия Менделеева отмечалось сокращение мощности как консолидированных, так и неконсолидированных осадочных пород. В котловине Североморцев мощность осадочных пород невелика 800-1000 м, а фундамент сложен теми же породами (судя по их физическим свойствам), что и гребневая зона поднятия Менделеева.

Дрейф станции «Северный полюс-28» на первом этапе работ (см. таблицу) проходил вдоль Центральноарктической группы впадин (котловина Толля и котловина Макарова), лежащей между поднятиями Ломоносова и Менделеева. Мощность осадочных пород на начальном участке дрейфа достигала 3-4 км, однако по мере продвижения на север намечалось заметное ее сокращение. В середине августа - сентябре 1987 г. станция приблизилась к Ломоносовско-Менделеевскому порогу, отделяющему котловину Толля (Подводников) от котловины Макарова, вошла в котловину Макарова - ущелье Марвина, пересекла поднятия Пожарского и резко повернула на поднятие Ломоносова.

На втором этапе работ станция несколько раз пересекала поднятие Ломоносова, затем проследовала в котловину Амундсена и начала дрейфовать вдоль северных склонов Гренландии с заходами на хребет Гаккеля и в конце концов вышла в пролив Фрама между Шпицбергеном и Гренландией. В какой-то степени дрейф этой станции повторил дрейф американской станции «Арлис-2», с которой в 1962-1963 гг. велись сейсмические работы (Г. Катшел, 1963).

Одновременно с сейсмическими работами на СП-28 в Арктическом бассейне проводились исследования и на дрейфующей станции СП-31.

К настоящему времени в Арктическом бассейне проработали 24 научные смены советских сейсморазведчиков, что составило в общей сложности 3940 рабочих дней или почти 11 полных лет. США намного раньше начали выполнять здесь сейсмические работы, однако на сегодняшний день их объемы значительно уступают как по общей площади охвата акватории, так и по продолжительности наблюдений исследованиям советских специалистов. (А.П. Крэри, Н. Гольдштейн, 1957; К. Ханкинс, 1961). После 1965 г. в Арктическом бассейне не было ни одной длительно дрейфующей стационарной зарубежной станции. С 1979 г. после значительного перерыва в работах США совместно с Канадой, частично с ФРГ и Норвегией, перешли на организацию в Арктическом бассейне дрейфующих станций с периодом работы в 1,5-2 месяца в весеннее время (станции «ЛОРЕКС-79», «Фрам-I» - IV», 1979-1982 гг., «ЦЕЗОР-83») [Jackson et al., 1985; Kristoffersen et al., 1982; Sweeney et al., 1982], .используя при этом авиацию и большие взрывы для выполнения работ по ГСЗ.

Геолого-геофизические наблюдения, выполненные с дрейфующих станций, помогли связать в единое целое результаты отдельных площадных работ и получить весьма ценную информацию о морфологии и тектоническом строении основных структурных элементов дна Северного Ледовитого океана.

Непрерывное прослеживание сейсмических горизонтов по трассам дрейфа научно-исследовательских станций «Северный полюс» позволяет решить две главные задачи - получить представление о строении осадочного чехла и фундамента объектов исследований и выявить особенности обособляющихся комплексов пород (сейсмокомплексов) в разных структурных условиях. Получение таких записей и сравнение их между собой оказалось возможным благодаря жесткой регламентации условий приема и регистрации упругих колебаний и сохранению идентичных условий работ на всех дрейфующих станциях (см. таблицу).

По записям сейсмических волн, их взаимному и временному положению на сейсмограммах, по расчетам скоростей и идентификации их с сейсмогеологическими особенностями участков суши и островов в глубоководной части океана выделяются пять различных структурно-вещественных комплексов, которые соответствуют:

первый - толще рыхлых морских отложений (I структурный этаж), подразделяемой на два подэтажа: верхний (со скоростями 1,5-1,7 км/с), сложенный тонкослоистыми слабоуплотненными океаническими осадками с многочисленными отражающими горизонтами, хорошо выдержанными по простиранию, и нижний (со скоростями 1,7-2,2 км/с), представленный так называемой прозрачной толщей с короткими осями синфазности, более всего напоминающий морские шельфовые отложения;

второй - толще уплотненных пород со скоростями 2,5-4,5 км/с (II структурный этаж) с резко выраженной динамической записью, отделенной от вышележащего комплекса отложений четкой границей, а местами и угловым несогласием;

третий - толще деформированных слоисто-осадочных пород со скоростями 4,5-6 км/с (III структурный этаж), слагающий складчатый фундамент;

четвертый - высокоскоростной толще с обилием дифрагированных волн и строгой локализацией, относящейся к кристаллическому основанию со сложной эродированной поверхностью (скорости по кровле пород изменяются от 5 до 6,5 км/с);

пятый - толще базитовых пород в виде лав, покровов, протрузий, даек, различного рода магматических излияний и внедрений, которая может занимать любой стратиграфический уровень и относится ко второму океаническому слою земной коры (Р.М. Деменицкая и др., 1968; И.С. Грамберг, 1974). Для слоя базальтовых пород характерно изменение скорости в широких пределах - от 4 до 6 км/с.

В центре океанических котловин кровля базальтового слоя, находящаяся под многокилометровой толщей осадков, отличается чрезвычайно неровной поверхностью, особенно на участках, отстоящих от срединно-океанического хребта Гаккеля на небольшие расстояния - 50-100 км. По мере удаления от хребта утрачивается динамически четко выраженная граница раздела между кровлей базальтовых пород и вышележащим осадочным чехлом. Она прослеживается на записях MOB в глубоководных котловинах: Нансена, Амундсена, Макарова, Канадской - по изменению формы и наклона осей синфазности глубинных отражений, но в отдельных случаях легко может быть принята при визуальном просмотре временных разрезов за кровлю III структурного этажа или за кровлю кристаллического фундамента.

Критериями отличия сейсмозаписи массивных базитовых пород от таковой складчатых или кристаллических являются прежде всего более высокие скорости и более резкое нарастание скоростей по глубине. Однако в случае переслаивания их с осадками отмечаются более низкие скорости. Породы кристаллического основания установлены в Арктическом бассейне в области развития поднятия Менделеева и плоскогорья Север, где они непосредственно выходят на поверхность дна, образуя своеобразный выступ древнего фундамента. Судя по последним работам канадских исследователей, выполненным методом ГСЗ, в этой области, (поднятие Менделеева) мощность земной коры составляет более 30 км [Jackson et al., 1985].

По данным сейсмических исследований MOB во всех направлениях от Центральноарктического массива (поднятие Менделеева - плоскогорье Север) наблюдается увеличение мощности осадочных пород. Наиболее резкое возрастание идет в направлении Канадской котловины и континентального склона Арктического архипелага, где наряду с плитным комплексом отмечается появление и складчатых пород III структурного этажа.

Породы III структурного этажа фиксируются также на поднятии Ломоносова и вдоль Гренландского континентального склона. Они установлены по периферии континентального склона Аляски и местами в котловине Толля (Подводников) (Р.М. Деменицкая и др., 1968; И.С. Грамберг и др., 1974).

Судя по тенденции к погружению кристаллического фундамента в направлении Канадской котловины он должен залегать в ее центре на глубине 18-20 км. Однако мощность земной коры составляет здесь не более 15 км, и он в сейсмической записи фактически не виден. Выше границы «М» - на временах 8-10 с (или 8-10 км по глубине) - появляется особая запись в виде коротких осей синфазности, которые как бы пересекают субгоризонтальные отражения низов осадочного чехла, что может быть отождествлено с породами так называемого второго океанического слоя.

Рисунок 3

Аналогичная картина наблюдается и при переходе от поднятия Ломоносова к котловине Амундсена. На рис. 3 приводятся сейсмические разрезы по дрейфующим станциям СП-22, СП-23, СП-24 через поднятие Ломоносова и зону его сопряжения с котловиной Амундсена. Именно на этом участке наиболее ясно видна смена одного типа строения земной коры другим.

По степени изменения структурно-вещественных особенностей доокеанической земной коры пространство глубоководной части Арктического бассейна Северного Ледовитого океана подразделяется на три крупных участка: Центральноарктическую область, Канадскую и Приевразийскую [Моря Советской…, 1984; Коротаев и др., 1988].

Первая область, в состав которой входят поднятия Ломоносова, Менделеева и заключенные между ними котловины Подводников (Толля) и Макарова, отличается развитием преимущественно материковой и субматериковой земной коры с незначительными изменениями ее нижней части. Для второй, занимающей акваторию Канадской глубоководной впадины, характерна субокеаническая кора, которой свойственны сокращенная мощность (11-12 км) и осадочный чехол, залегающий непосредственно на базальтовом фундаменте.

В третьей области по всей площади развиты типично океанические коры, где породы базальтового состава залегают под осадочным чехлом относительно неглубоко либо выходят на поверхность дна моря, как это имеет место на срединно-океаническом хребте Гаккеля.

Таковы главные геологические особенности строения Арктического бассейна, следующие из анализа сейсмических материалов, среди которых ведущая роль принадлежит результатам исследований на советских дрейфующих станциях «Северный полюс».

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ашихмина Е.А., Коновалов В.В., Дик Г.Г. Сейсмические исследования по трассе дрейфа научной станции «СП-26» в мае 1983-1984 гг. // Неоднородность глубинного строения земной коры океанов. Л., 1986. С. 68-74.

2. Киселев Ю.Г. Глубинная геология Арктического бассейна. - М.: Недра, 1986.

3. Киселев Ю.Г. Волновые поля и сейсмические модели строения земной коры Арктического бассейна // Неоднородность глубинного строения земной коры океанов. Л., 1986. С. 40-55.

4. Киселев Ю.Г. Оценка морфометрических показателей рельефа дна по данным сейсмических измерений дрейфующей станции «Северный полюс» // Геоморфологические исследования океанического дна. Л., 1987. С. 93-98.

5. Моря Советской Арктики / Под ред. И.С. Грамберга, Ю.Е. Погребицкого // Геологическое строение СССР и закономерности размещения полезных  ископаемых. Л., 1984. Т. 9.

6. Коротаев К.М., Мирошников И.М., Тимошенко Н.К., Киселев Ю.Г. Подводный лик Арктики // Морской сборник. 1988. № 2. С. 74-76.

7. Jackson Н.R., Mudie P.J., Blasco S.М. Initial Geological Report CESAR: The Canadian Expedition to study the Alpha Ridge Arctic Ocean // Geological Survey of Canada. 1985. P. 178.

8. Kristoffersen Y., Husebye E.S., Bungum H., Gregersen S. Seismic investigations of the Nansen Ridge during the Fram-1 Experiment // Tectonophysics. 1982. Vol. 89. N 1/2. P. 57-68.

9. Sweeney J.F., Weber J.P., Blasco S.M. Continental ridges in the Arctic; LOREX constrains // Tectonophysics. 1982. Vol. 89. N 1/2. P. 217-237.

  

 

Ссылка на статью:

Грамберг И.С., Киселев Ю.Г., Коновалов В.В. Сейсмические исследования с дрейфующих станций «Северный Полюс» // Советская геология. 1991. № 3. С. 45-54.

 




eXTReMe Tracker


Яндекс.Метрика

Hosted by uCoz