Строение и история развития литосферы

Lodolo E., Coren F., Sxchreide A., Ceccone G. Geophysical Evidence of a Relict Oceanic Crust in the Southwestern Sea // Marine Geophys. Res. 1997, v.19, p. 439–450.

Lodolo E., Donda F., Tassone A. Western Scotia Sea. Margins. Improved constraints of the opening of The Drake Passage. // Jour.Geophys. Res., 20066 v. 111, BO6101, doi 10.1029/2006. JB0044361.

Lorenzo J.M., Mutter J.C. Seismic stratigraphy and tectonic evolution of the Malvinas/Falkland Plateau // Revista Brasiliera de Geociencias, 1988, 18, p. 191–200

Ludwig W.J. Geologic framework of the Falkland Plateau // Inint.Rep.DSDP, 71, Washington, US Govt.Printing Office, 1983, 71, 281-292

Ludwig W.J., Windisch C.C., Houtz R.E., Ewing J.I. Structure of Falkland Plateau and offshore Tierra del Fuego, Argentina., in Geological and geophysical investigations of continental pargins // Am.Assoc. Petrol.Geol., 1978 memoir 29, Tulsa.

Ludwig W.J., Rabinowitz P.D. Seismic stratigraphy and structure of Falkland Plateau // Am.Assoc.Petrol.Geol.Bull., 1982, 64, 742

Maldonado A. et al. Ocean basins near the Scotia-Antarctic plate boundary: Influence of tectonics and paleoceanography on the Cenozoic deposits // Mar.Geophys.Res., 2006, v.27, pp. 83–107

Maldonado A. et al. Seismic Stratigraphy of Miocene to Recent Sedimentary Deposits in the Central Scotia Sea and Northern Weddell Sea: Influence of bottom Flows (Antarctica) // in in: Futterer D.K. et al.,(eds) Antarctica, Springer-Verlag, 2006, pp. 441–446

Maldonado A., Barnolas A., Bohoyo F., Galindo-Zaldivar J., Henrnadez-Mo;ina J., Lobo F., Rodroguez-Fernandesz J., Somoza L., Vazquez J.T. et al. Contourite deposits in the central Scotia Sea: the importance of the Antarctic Circumpolar Current and the Weddell Gyre flows // Palaegeogr.,Palaeoclim., Palaeoecol., 2003, 198, pp. 187–221

Maldonado A., Balanya J., Barnolas A., Galindo-Zaldivar J., Hernandez J., Jabaloy A., Livermore R.A., Matinez J., Rodriguez-Fernandez J., Galdeano C,Somoza L., Surinach E., Visera et al. Tectonics of an extinct ridge-transform intersection, Drake Passage (Antarctica) // Mar.Geophys.Res. 2000, 21, pp. 43–68

Mao S., Mohr B.A.R. Middle Eocene dinocysts from Bruce Bank (Scotia Sea, Antarctica) and their paleoenvironmental and paleogeographi implications // Review of Palaeobotany and Palynology, 1995, 86, pp. 235–263.

Olbers D., Borowski D., Volker C., Wolff J-O. // Antarctic Science 16 (4): pp. 439–470 (2004)

Pearce J.A., Leat P.T., Barker P.F., Miller I.L. Geochemical tracing of Pacific-to– Atlantic upper-mantle flow through the Drake passage // Nature, 2001, v. 410/22, pp. 457–461

Raymond C.A., LaBrecque Jh.L., Kristofferson Y. Islas Orcadas and Meteor Rise: the tectonic and depositional history of two aseksmic plateaus from sites 702, 703 and 704. In Ciesielski P.F., Kristofferson Y et al., 1991, Procceedings of the Ocean Drilling Program, Scientific Results, vol. 114 // Colledge Station, TX

Sandwell D.T., Smith W.H.F. Marine gravity anomaly from Geosat and ERS 1 satellite Altimetry // Jour.Geoph.Res., 1997, v. 102, No. B5, p. 10, 039

Saunders A.D., Tarney J., Weaver S., Barker P.F. Scotia Sea Floor: Geochemistry of Basalts from the Drake Passge and South Sandwich Spreading Centers // Antarctic Geoscience, Univ.Wisconsin Press, Madison, 1982, pp. 213–222

Schenke H.W., Zenk W., editors. The Expeditions ANT-XXII/4 and 5 of the Research Vessel «Polarstern» in 2005 // Reports on Polar and Marine Research, 2006, Heft-Nr. 537

Smith W.H.F, Sandwell D.T. Bathymetric prediction from dense satellite altimetry and spares shipboard bathymetry // Jour.Geoph.res., 1994, vol.99, noB11, p. 21, 803-21,824

Smith W.H.F., Sandwell D.T. Global Sea Floor Topography from Satellite Altimetry and Ship Depth Soundings // Science, 1997, V.277, N 5334, p 1956–1962.

Suess E. // Das Anblitz der Erde. Bd. 1-111, Leipzig, Wienn, 1883–1909Tectonic map of the Scotia Arc // Sheet BAS (Misc) 3 Ed.1, 1985. Scale 1:3 000 000, British Antarctic Survey, Cambridge, 1985

Toker V., Barker P.F., Wise S.R. Middle Eocene carbonate bearing sediments from Bruce Bank off northern Antarctic Peninsula, // Geol. Evol. Antarctic, 1991, pp. 639–644.

Vuan A., Lodolo E., Panza G.F., Sault C. Crustal structure beneath Discovery Bank in the Scotia Sea from group velocity // Antarctic Science, 2005, 17, pp. 97–106, Cambridge Univ. Press.

Vuan A. et al. Group Velocity Tomography in the Subantarctic Scotia Sea Region // Pure a.Applied Geophys., 157, pp. 1337–1357.

Vuan A. et al. Crustal and upper mantle S-wave velocity structure beneath the Bransfield Strait (West Antarctica) from regional surface wave tomography // Tectonophysics, 2005, 397, pp. 241–259

G.B. Udintsev[48 - V.I. Vernadsky Institute of Geochemistry and analytical chemistry of Russian Academy of Science (GEOKHI RAS), Moscow, Russia], A.F. Beresnev[49 - V.I. Vernadsky Institute of Geochemistry and analytical chemistry of Russian Academy of Science (GEOKHI RAS), Moscow, Russia], N.A. Kurentsova[50 - V.I. Vernadsky Institute of Geochemistry and analytical chemistry of Russian Academy of Science (GEOKHI RAS), Moscow, Russia], A.V. Koltsova[51 - V.I. Vernadsky Institute of Geochemistry and analytical chemistry of Russian Academy of Science (GEOKHI RAS), Moscow, Russia], K.G.Domoratskaya[52 - V.I. Vernadsky Institute of Geochemistry and analytical chemistry of Russian Academy of Science (GEOKHI RAS), Moscow, Russia], H.W. Schenke[53 - Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI), Bremerhaven, Germany], Ott N.[54 - Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI), Bremerhaven, Germany], K?nig M.[55 - Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI), Bremerhaven, Germany], Jokat W.[56 - Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI), Bremerhaven, Germany], Bakhmutov V.G.[57 - Institute of Geophysics NASU, Kiev, Ukraine], V.D. Soloviev[58 - Institute of Geophysics NASU, Kiev, Ukraine], S.P. Levashov[59 - Institute of applied problems of ecology, geophysics and geochemistry NASU, Kiev, Ukraine], N.A. Yakimchuk[60 - Institute of applied problems of ecology, geophysics and geochemistry NASU, Kiev, Ukraine], I.N. Korchagin[61 - Institute of Geophysics NASU, Kiev, Ukraine]. Drake Passage and Scotia Sea – the Oceanic gates of the Western Antarctica

Abstract

The bathymetry and geophysics of the floor of the Drake Passage and the Scotia Sea is rather well studied in general, and was discussed in many publications. However the tectonics and geodynamics of this belt until now are unclear and find equivocal interpretation. The floor of this belt usually is considered as the collage of small fragments of relict continental bridge and wide oceanic plates, created by spreding at wide-scale horizontal movements of lithospheric plates. The authors propose alternative hypothesis about nature of the crustal bekt of the Drake Passage and the floor of the Scotia Sea as the areal of large fragments of the relict of intercontinental bridge, experienced basification and breaking into large fragments in the conditions of temperate extension and short-lived local rifting.

Г.Э. Грикуров[62 - Мирового океана им. академика И.С. Грамберга (ВНИИОкеангеология), г. Санкт-Петербург, Россия], Г.Л. Лейченков[63 - Мирового океана им. академика И.С. Грамберга (ВНИИОкеангеология), г. Санкт-Петербург, Россия], Е.В. Михальский[64 - Мирового океана им. академика И.С. Грамберга (ВНИИОкеангеология), г. Санкт-Петербург, Россия]

Тектоническая эволюция Антарктики в свете современного состояния геодинамических идей

Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов

Аннотация

В рамках проведения исследований по программе Международного полярного года 2007–2009 гг. Комиссией по геологической карте мира (КГКМ) была выдвинута инициатива составления Тектонической карты полярных областей Земли масштаба 1:10 000 000. Первым этапом выполнения этого проекта стала подготовка макета новой тектонической карты Антарктики во Всероссийском научно-исследовательском институте геологии и минеральных ресурсов Мирового океана имени академика И.С. Грамберга. В ходе работы над картой были обобщены обширнейшие геолого-геофизические материалы, полученные российской и зарубежными антарктическими экспедициями в течение последних 15–20 лет. Результаты новейших изотопно-геохимических анализов горных пород антарктического материка, а также особенности глубинной структуры его континентальной окраины, выявленные в ходе интенсивных морских геофизических исследований, позволяют скорректировать тектонические модели, разработанные в предшествующие годы отечественными и иностранными учеными, и предложить современную концепцию тектонического строения и геодинамической истории Антарктики.

1. Введение

Тектонические карты и схемы антарктического материка, создававшиеся во второй половине прошлого века, базировались на материалах рекогносцировочных геологических исследований в наиболее обнаженных районах материка, а также на результатах изотопно-геохронологического изучения горных пород главным образом K-Ar и Rb-Sr методами; к ним в 1970-ых годах добавились U-Th-Pb и Pb-Pb изотопные методы, с помощью которых в Антарктиде были, в частности, получены древнейшие на планете датировки горных пород на уровне порядка 4 млрд. лет (Соботович и др., 1974).

При тектонической интерпретации этих данных отечественными исследователями было принято на вооружение представление о первичности земной коры континентального типа и существовании практически на всей территории Антарктиды раннедокембрийского кристаллического цоколя. Предполагалось, что на относительно небольших участках этот цоколь сохранился в первозданном виде, но в основном подвергался рекуррентной тектоно-магматической активизации в пределах позднедокембрийских подвижных областей кристаллического фундамента, тогда как в складчатых поясах Трансантарктических гор и Западной Антарктиды он был полностью переработан фанерозойскими тектогенезами. Геодинамическая природа этой активизации не была предметом специального рассмотрения, но «по умолчанию» увязывалась с определяющей ролью вертикальных движений (Грикуров и др., 1978; Grikurov, 1982).

Среди западных ученых в 1970-ых годах уже однозначно утвердилось мнение об аккреционном разрастании Восточно-Антарктического «щита» за счет эокембрийско-фанерозойских конвергентных процессов на его тихоокеанской окраине (Craddock, 1970; Elliot, 1975). Разночтения проявлялись только в вопросе о том, происходило наращивание континентальной коры в основном за счет смещения в сторону океана последовательно омолаживавшихся активных окраин или путем коллизионного присоединения крупных континентальных террейнов. Следует отметить, что полная ясность в этой области не достигнута до настоящего времени.

Рекогносцировочными геологическими наблюдениями раннего периода исследований было охвачено подавляющее большинство доступных надледных выходов горных пород Антарктиды, поэтому существенных новых данных на этом направлении ожидать не приходилось, и геологическое «точкование» практически прекратилось. Некоторые наиболее загадочные геологические и/или потенциально рудоносные объекты стали предметом повторных полевых исследований, которые, однако, не принесли неожиданных результатов и не дали убедительных ответов на нерешенные вопросы. Дальнейший прогресс в расшифровке геологической истории континента был обеспечен начавшимся в конце 1980-х годов изучением антарктических пород Sm-Nd методом с широким применением U-Pb датирования SHRIMP по цирконам и другим акцессорным минералам. Образцы для аналитических исследований отбирались как из хорошо документированных старых коллекций, так и в ходе дополнительных целенаправленных полевых наблюдений на наиболее представительных геологических объектах. Результаты именно этих исследований и сопутствующего детального изучения вещественного состава анализировавшихся пород дали основной материал для разработки обновленной тектонической модели Антарктики (рис. 1), вносящей коррективы как в ранние схемы, выдвигавшиеся отечественными учеными на базе традиционной геосинклинально-платформенной парадигмы, так и в более поздние построения, основанные на принципах тектоники плит. Важную роль играла также общая эволюция взглядов на становление и распад Гондваны; этот процесс, в свою очередь, в значительной мере опирался на поступавшие новые материалы по антарктической материковой суше и ее подводной окраине.

Рис. 1. Тектоническое строение Антарктики. 1 – докембрийский фундамент в щитах и массивах Восточной Антарктиды: (а) нерасчлененный под ледовым куполом, (б) области ранней стабилизации (б’– архейские ядра, б’’– архейско-палеопротерозойские массивы), (в) гренвильский подвижный пояс; белой штриховкой показаны зоны интенсивной пан-африканской переработки. 2–4 – складчатые пояса Трансантарктических гор и Западной Антарктиды: 2 – выступы кристаллической инфраструктуры; 3 – тихоокеанские аккреционно-коллизионные орогены: (а) эокембрийско-раннепалеозойский складчатый пояс Трансантарктических гор (росский ороген), (б) ранне-(?)среднепалеозойская складчатая система северной оконечности Трансантарктических гор и западной части Земли Мэри Бэрд (борхгревинкский ороген), (в) палеозойско-раннемезозойская складчатая система побережья моря Амундсена (амундсенский ороген), (г) мезозойско-кайнозойская складчатая область Антарктического полуострова (андский ороген, или Антарктанды); 4 – внутриплитные складчатые зоны: (а) неопротерозойско-раннепалеозойская, (б) познепалеозойско-раннемезозойская, (в) позднемезозойская. 5 – недислоцированные чехлы: (а) (нео?)протерозойско-палеозойские платформенные формации, предположительно широко развитые в депрессиях подледного ложа Восточной Антарктиды, (б) среднепалеозойско-раннемезозойский (биконский) чехол Трансантарктических гор, распространяющийся (по геофизическим данным) на подледную часть росского орогена и прилегающего фундамента. 6 – мезозойско-кайнозойские осадочные бассейны: (а) внутриматериковые и на континентальной окраине, (б) в прилегающих океанических котловинах, (в) выступы фундамента бассейна моря Росса. 7 – вулканические плато: (а) под осадочным чехлом пассивной окраины, (б) на океанической коре (б’—под осадочным чехлом), (в) позднекайнозойские щелочные и толеитовые платобазальты Западной Антарктиды, (г) микроконтинент Кергелен. 8 – структуры растяжения: (а) границы рифтов, предшествовавших распаду Гондваны, (б) сбросовый уступ по границе бассейна моря Уэдделла, (в) активный рифт пролива Брансфилд. 9 – грабенообразные депрессии неустановленного происхождения в рельефе коренного ложа. 10 – конвергентные границы: (а) зоны палеосубдукции, (б) сутуры (б’—раннепалеозойская, б’’—позднемезозойская). 11 – неогеновая(?) вулканическая дуга Джейн. 12 – предполагаемое положение границы росского орогена под биконским чехлом. 13 – океаническая кора вне области кластического осадконакопления. Сокращения: ГПЧ – горы Принс-Чарльз, ХрШ – хребет Шеклтона, ЗВ – северная часть Земли Виктории.

2. Древняя платформа Восточной Антарктиды

SHRIMP-датировки убедительно подтвердили архейский возраст глубоко метаморфизованных ядер ранней стабилизации, затронутых более поздней переработкой лишь в периферических зонах и единодушно классифицируемых как (прото)кратоны большинством антарктических исследователей. Модельные возрасты T

протолитов континентальной коры, рассчитанные по результатам изучения изотопов Sm-Nd, в наиболее изученных кратонах (Земля Эндерби, южная часть гор Принс-Чарльз) находятся в диапазоне 4,0–2,7 млрд. лет (Михальский, 2008). При этом разрыв между временем возникновения первичного континентального субстрата и возрастом тектонической стабилизации коры, определяемым по преобладающим U-Pb датировкам цирконов, может измеряться многими сотнями миллионов лет (Грикуров, Михальский, 2002). Эти данные хорошо согласуются с глобальными закономерностями эволюции древних кратонов, повсеместно характеризующихся разновозрастностью (в пределах катархея и архея) и значительной длительностью становления (Лобач-Жученко, 2009).

На побережье моря Дюрвиля и в хр. Шеклтона в некоторых метаморфических комплексах познеархейские и палеопротерозойские SHRIMP-датировки встречаются совместно. Эти плохо обнаженные и слабо изученные (в частности, Sm-Nd методом) комплексы могут являться свидетельством существования относительно больших и сложно устроенных массивов «сквозного» раннедокембрийского развития. Их наиболее крупные представители предполагаются между 120° и 150°в.д. по положительным формам подледного рельефа и характерным магнитным аномалиям.

Породы с выраженным преобладанием палеопротерозойских U-Pb датировок встречаются редко и на очень небольших площадях, которые не могут быть показаны в масштабе рисунка. Они тесно соседствуют с архейскими кратонами и, судя по этому признаку, особенностям метаморфизма и модельным возрастам T

, которые практически не отличаются от присущих кратонам, представляют собой в основном переработанные архейские породы.

Депрессии коренного ложа, развитые в районе хр. Шеклтона, около полюса и вдоль 120°в.д., рассматриваются как области вероятного распространения платформенных формаций, надледные выходы которых фрагментарно обнажены на крайнем западе Земли Королевы Мод, на юго-восточном побережье моря Уэдделла, в южной части хр. Шеклтона и на приполюсном отрезке Трансантарктических гор. В хр. Шеклтона карбонатно-терригенные отложения с остатками рифейских строматолитов залегают на коре выветривания раннемезопротерозойских гранитоидов, в других местах возраст разнообразных по составу осадочных слоев, эффузивов и стратиформных субвулканических интрузий определяется менее надежно по широкому разбросу ранних K-Ar и Rb-Sr изотопных датировок в диапазоне от 1500–1300 до 600 млн. лет. Верхи подледных платформенных разрезов скорее всего представлены позднепалеозойскими слоями «биконского» чехла Трансантарктических гор, о чем свидетельствует присутствие разрозненных выходов пермских (с остатками Glossopteris) угленосных толщ.

К полосе предполагаемого распространения раннедокембрийских массивов и перекрывающего их (нео?)протерозойского-палеозойского платформенного чехла примыкает обширнейшая подледная горная страна, которая по характеру рельефа и потенциальных полей может быть охарактеризована лишь в самом в общем плане как область преобладания в эрозионном срезе пород докембрийского кристаллического фундамента («Антарктический щит»). Данные для более детального освещения этой области пока практически отсутствуют, и лишь косвенные соображения (Leitchenkov et al., 2007a) указывают на возможность присутствия в подледном массиве гор Гамбурцева комплексов с возрастом консолидации порядка 1000 млн. лет, затронутых раннепалеозойским (~500 млн. лет) изотопным «омоложением».

Протяженный и относительно обнаженный протерозойский подвижный пояс облекает архейские ядра вдоль большей части побережья Восточной Антарктиды. В пределах этого пояса массовые SHRIMP-датировки, выполненные в последние годы, образуют на гистограмме два отчетливые пика – 1200–950 млн. лет и ~570–520 млн. лет при наличии немногочисленных возрастов в интервалах 2400–1700 и 1500–1300 млн. лет и еще более редких архейских значений. На большинстве участков проявлены оба пика, и лишь в немногих местах проявлен только какой-либо один из них.

Сторонники исходного «пан-антарктического сиаля» усматривают в этих новых данных свидетельства неоднократного «омоложения» первичной раннедокембрийской континентальной коры Антарктиды, наиболее интенсивно проявившегося на рубеже мезо– и неопротерозоя и в раннем палеозое. Однако по мнению большинства исследователей оба вышеуказанных пика знаменуют проявления субдукционно-коллизионного орогенеза, происходившего в ходе амальгамации Антарктиды сначала в состав Родинии (~ 1000 млн. лет, гренвильская эпоха), а затем Годваны (~ 550 млн. лет, пан-африканское событие) (Shiraishi et al., 1992; Mikhalsky et al., 1997; Jacobs et al., 1998; Zhao et al., 1995; Grunow et al., 1996; Tessensohn, 1997; Dalziel, 1997; Boger et al., 2001), причем доказательству коллизионной природы пан-африканского тектогенеза на определенном этапе отводилось особое место (например, Fitzsimons, 2003; Boger & Miller, 2004).

Последний тезис был, однако, поставлен под сомнение целенаправленными петрохимическими исследованиями горных пород для определения геодинамических условий их формирования (Munksgaard et al., 1992; Osanai et al., 1992; Sheraton et al., 1992; Groenewald et al., 1995, Mikhalsky et al., 1996, 2001). Выяснилось, что в породах с преобладанием пан-африканских возрастов больше признаков внутриплитного, чем орогенного происхождения (Михальский, 2007). Гренвильские ортогнейсы и гранитоиды, напротив, по химизму оказались довольно близкими к известково-щелочным магматическим ассоциациям, возникающим в условиях конвергентного тектонического режима с существенным участием ювенильной составляющей. В пользу конвергентной природы гренвилид говорят и значения T

, которые находятся преимущественно в диапазоне от 2,4 до 1,1 млрд. лет при практически полном отсутствии архейских значений, свидетельствуя об относительной близости времени зарождения и орогенического «созревания» континентальной коры.