The deepest depressions on land in Antarctica as a result of Cenosoic riftogenesis activation

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время изучение шестого материка продвигается быстрыми темпами. Особенный акцент был сделан на изучение подледного рельефа, т. к. ледяной купол скрывает геологическое строение и тектоническую структуру континента. Была построена высокоточная модель подледного рельефа BEDMACHINE [1]. В Западной и Восточной Антарктиде были выявлены узкие и длинные подледные депрессии, лежащие ниже уровня моря на глубине 2 и более километров, в основном меридионального простирания.

Наиболее глубокая впадина Денмана имеет глубину до 3500 м ниже уровня моря, что существенно превышает глубины Байкала, Каспия и Танганьики. В то же время максимальная глубина внутриконтинентальных впадин на других континентах, не заполненных водой, не превышает нескольких сотен метров.

Ранее высказывались предположения о существовании Восточно-Антарктической рифтовой системы, включающей глубокие подледные бассейны Ламберта, Авроры и Уилкса, а также озеро Восток [2‒8]. Однако в этих работах не обсуждались причины и время значительного нескомпенсированного осадками углубления этих впадин. Очевидно, что подледниковые рифтогенные впадины Западной и Восточной Антарктиды являлись местами осадконакопления, пока не началось оледенение континента [9]. В настоящей работе обосновывается позднекайнозойская активизация рифтов Антарктиды, связанная с общим ускорением мантийных течений и развитием локальных плюмов.

ГЕОЛОГО-ТЕКТОНИЧЕСКИЕ И ГЛЯЦИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

Антарктида состоит из двух тектонических областей, разделенных Трансантарктическими горами. Западная Антарктида характеризуется утоненной корой и литосферой, обширными осадочными бассейнами и горячей верхней мантией [10‒13]. Западно-Антарктическая рифтовая система (ЗАРС) простирается от Трансантарктических гор до Антарктического полуострова. В пределах ЗАРС было идентифицировано более 100 подледных вулканов (рис. 1).

 

Рис. 1. а – Карта подледного рельефа BEDMACHINE [1]. Обнаруженные вулканы показаны черными крестиками; б – Карта подледного рельефа BEDMACHINE [1] для Австрало-Антарктической части континента. Обозначения впадин: Д – Денмана; С – Скотта; В – Вандерфорд; Т – Тоттен; Р – Ренника; Т1, Т2, Т3, Т4 – впадины Трансантарктических гор; Э – вулкан Эребус; в – Карта подледного рельефа BEDMACHINE [1] для Атлантического сектора Антарктиды. Обозначения: АП – Антарктический полуостров; Б – остров Беркнер; Д – блок Дюфек; П – Пайн Айленд; Ф – ледник Фильхнера; ЮП – Южный Полюс.

 

Восточная Антарктида ранее считалась стабильным континентальным тектоническим блоком. Однако в прошлые эпохи Восточная Антарктида испытывала процессы растяжения во время распада Гондваны. Поэтому в Восточной Антарктиде существуют обширные осадочные бассейны [9], довольно часто встречается мезозойский магматизм [4]. Интересно отметить, что в западной части рифта Ламберта были обнаружены кайнозойские базальты с возрастом излияния 40‒50 млн лет [14, 15], а вулкан Гауссберг на побережье Земли Принцессы Елизаветы имеет плейстоценовый возраст [2, 16, 17]. Недалеко от него находятся и другие предполагаемые вулканические конусы и кальдера.

Оледенение Антарктиды началось в эоцене. Причинами похолодания и оледенения ученые называют уменьшение количества углекислого газа в атмосфере Земли и появление пролива Дрейка. С тех пор ледяной щит несколько раз отступал и формировался вновь, особенно в Западной Антарктиде [18].

ГЛУБОКИЕ ПОДЛЕДНЫЕ ВПАДИНЫ КАК РЕЗУЛЬТАТ АКТИВИЗАЦИИ РИФТОГЕНЕЗА В КАЙНОЗОЕ

В Антарктиде выявлены узкие впадины, по всей видимости, рифтогенной природы, характеризующиеся аномально большими глубинами до 3 км, которые не встречаются на других континентах. Объяснение этого феномена Антарктиды естественно связать с позднекайнозойской активизацией рифтогенеза уже после оледенения континента. Уникальность ситуации для ледяного континента заключается в том, что после оледенения происходит прекращение осадконакопления. Продолжение рифтогенеза в этих условиях приводит к формированию узких глубоких подледных впадин, заполненных льдом. На других континентах при отсутствии ледяного покрова в рифтовых впадинах происходит достаточно интенсивное осадконакопление, компенсирующее погружение коры при рифтогенезе, которое сглаживает поверхностный рельеф. Таким образом, наличие узких и глубоких впадин подледного рельефа Антарктиды является свидетельством продолжающегося рифтогенеза после оледенения континента. На рис. 1 а показан подледный рельеф Антарктиды согласно [1].

Выделяются следующие глубокие впадины ледового ложа [1] с отрицательными гравитационными аномалиями в свободном воздухе [19]:

1. Три субпараллельные депрессии ледников Бейли, Слессора и Рекавери (рис. 1 а, 1). Для них гравитационные аномалии в свободном воздухе достигают –100÷160 мГал.
2. Система рифтов Ламберта (рис. 1 а, 2). Для нее гравитационные аномалии в свободном воздухе достигают –100 мГал.
3. Предполагаемый рифт Гауссберг и рядом на берегу вулкан Гауссберг [3]. Эта структура менее выражена в подледном рельефе, глубина дна составляет 500–1000 м ниже уровня моря (рис. 1 а, 3), а аномалии в свободном воздухе достигают –40 мГал.
4. Система депрессий бассейна Авроры (рис. 1 а, 4; рис. 1 б) с продолжениями во впадинах Скотта, Денмана (рис. 1 a, 4 а; рис. 1 б); Вандерфорда и Тоттена (рис. 1 a, 4 б; рис. 1 б). Для них аномалии в свободном воздухе достигают –160 мГал.
5. Рифты бассейна Уилкса (рис. 1 а, 5; рис. 1 б). Несколько узких впадин с глубинами до 2 км, простирающихся далеко вглубь континента параллельно Трансантарктическим горам. Они соединяются с впадинами, рассекающими Трансантарктические горы, которые выходят в подледный бассейн Росса. Для них аномалии в свободном воздухе достигают –100 мГал.
6. Изолированные подледные осадочные бассейны Восток, Астролябии и Адвенче. Дно этих впадин лежит на глубине от 1 до 2 км, а аномалии в свободном воздухе достигают –100 мГал (рис. 1 а; рис. 1 б).
7. Рифты Земли Королевы Мод и Земли Эндерби имеют относительно меньший масштаб и представлены отдельными подледными депрессиями меридионального простирания от берега вглубь континента (рис. 1 а).
8. Рифты Трансантарктических гор представлены узкими впадинами, перпендикулярными основной оси Трансантарктических гор (Т1, Т2, Т3, Т4). По ним происходит сток льда из Восточной Антарктиды в ледник Росса. Особняком стоит впадина ледника Ренника перпендикулярно берегу, разделяющая Трансантарктические горы у берега параллельно основному простиранию (рис. 1 б). Дно этих впадин лежит на глубине от 1 до 2 км, а аномалии в свободном воздухе достигают –100 мГал.

Для ЗАРС глубины подледных впадин Бэрда, Бентли и других достигают 2 км и более при этом гравитационные аномалии в свободном воздухе составляют –40÷–80 мГал. В то же время для вулканических массивов Земли Мэри Бэрд и отдельных вулканов (Эребус и др.) гравитационные аномалии положительны (40÷80 мГал).

Мало изучена другая система рифтов Западной Антарктиды, которая начинается в районе Южного полюса (глубины –500÷–1000 м, гравитационные аномалии в свободном воздухе –40÷– 80 мГал). Здесь ложе ледника лежит уже на глубине –1000÷– 2000 м, аномалии в свободном воздухе составляют –60÷–120 мГал (рис. 1 в). Далее эта депрессия соединяется с депрессиями Земли Котс Восточной Антарктиды (рис. 1 а) и впадиной с глубиной более километра выходит в море Уэддела, где быстро выполаживается.

Описанные подледные впадины характеризуются резкими отрицательными гравитационными аномалиями в свободном воздухе до –100 мГал и более [19], что обычно характерно для активных рифтовых систем.

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ РИФТОВ АНТАРКТИДЫ

Механизм образования рифтов Антарктиды связан с растяжением и последующим распадом суперконтинента Гондвана. Начальный этап распада произошел в раннеюрский период. Но еще в девоне-перми в гондванской литосфере возникли условия растяжения, которые привели к образованию рифтовых грабенов. По краям Гондваны действовали тянущие силы от окружающей суперконтинент зоны субдукции [20, 21], тогда как под самим суперконтинентом имели место восходящие мантийные потоки. В позднем кайнозое произошла активизация рифтогенеза в Антарктиде, вызванная начавшимся в миоцене общим ускорением глобальных геодинамических процессов [22], что проявилось, в частности, в интенсификации магматизма в Центральной и Восточной Азии [23] и горообразования в Альпийско-Гималайском коллизионном поясе [24].

Очевидно, что тектоно-магматические процессы в Западной Антарктиде во многом определялись фактором обрамляющей ее субдукции, с чем связаны широкое развитие подледных вулканов и активизация рифтов после оледенения материка. Вместе с тем процессы рифтогенеза и магматизма Восточной Антарктиды, находящейся на значительном расстоянии от зоны субдукции, в большей степени определялись действующим нижнемантийным восходящим потоком под самим континентом, который трансформируясь в горизонтальные подлитосферные течения, вызывал движение составляющих Гондвану материков в разные стороны от Антарктиды. При изменении режима конвекции, в частности, при ее ускорении горизонтальные верхнемантийные течения приводили к реактивации уже существующих и образованию новых рифтовых зон в лито- сфере Восточной Антарктиды, связанных с действием локальных мантийных плюмов.

Рассмотренная геодинамическая схема развития тектономагматических процессов в Антарктиде после распада Гондваны близка к модели формирования позднемезозойской магматической провинции в Восточной Азии, предложенной в работе [23]. В ней особенности магматизма связываются со сложной геодинамической обстановкой взаимодействия Тихоокеанской конвергентной границы с горячим полем нижней мантии. Во фронтальной зоне конвергенции формировались субдукционные механизмы магмообразования, в то время как в западной части провинции, находящейся вне зоны влияния конвергентной границы, возникли внутриплитные вулканические области, связанные с активностью мантийных плюмов. Интенсивность магматических процессов на разных этапах развития позднемезозойско–кайнозойской вулканической провинции Восточной Азии характеризуется двумя пиками повышенной активности в интервалах: 120–130 млн лет и 7–15 млн лет [22].

Важно подчеркнуть существование молодого этапа магматической активности в миоцене. Предполагая аналогичный миоценовый пик тектоно-магматической активности в Антарктиде, можно объяснить послеледниковые процессы активизации рифтогенеза, приводящие к возникновению аномально глубоких впадин в Антарктиде. В связи с этим нами предполагается существование подледной вулканической провинции в районе вулкана Гауссберг.

ДИСКУССИЯ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен механизм формирования глубочайших континентальных впадин-рифтов в Антарктиде протяженностью тысячи километров вследствие общей активизации тектономагматических процессов в миоцене и образования верхнемантийных плюмов под Антарктидой после ее оледенения.

Предполагается повышенный тепловой поток для этих рифтовых систем. Элементы этих рифтов у побережья (глубокие подледные впадины) важны с точки зрения динамики ледников, так как по ним осуществляется существенная часть стока льда в океан. Большая часть таких впадин субмеридиональна и дренирует Антарктический ледяной щит. Наличие на дне таких впадин осадков вкупе с повышенным тепловым потоком может уменьшать трение на границе лед–порода и таким образом ускорять скорость стекания ледников, вызывая глобальное повышение уровня моря. Большие скорости движения льда в выводных ледниках Амери, Тоттена, Денмана, Туйетс, Пайн-Айленд и других объясняются повышенным тепловым потоком и частичным плавлением льда на их подошве [25].

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена частично в рамках госзадания Института теории прогноза землетрясений РАН № AAAA-A19-119011490131-3 и частично в рамках госзадания Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН № FMWE-2021-0004.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят рецензента, чьи замечания помогли значительно улучшить рукопись.

About the authors

A. A. Baranov

Institute of Earthquake Prediction Theory and Mathematical Geophysics, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: aabaranov@gmail.com
Russian Federation, Moscow

L. I. Lobkovsky

P.P. Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: aabaranov@gmail.com

Academician of the RAS

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files