К вопросу о тектонической природе

Аннотация

Анализируются существующие данные по механизмам напряжений в очагах землетрясений Атлантико-Арктического пояса. На примере атлантических землетрясений показывается необходимость учета существования двух типов механизмов землетрясений в зонах океанического рифтогенеза. Делается заключение о том, что землетрясения Арктического пояса обусловлены действием процессов океанического рифтогенеза на участке от Северной Атлантики до шельфа моря Лаптевых, континентального рифтогенеза на шельфе моря Лаптевых и континентального рифтогенеза и орогенеза на Северо-Востоке СССР.

Илл. 8. библ. 14 назв.

Первые сведения об арктических землетрясениях получены практически с самого начала инструментальных сейсмологических наблюдений. В дальнейшем накопление и обобщение данных позволило говорить о существовании Арктического пояса землетрясений, протягивающегося от Северной Атлантики через Норвежско-Гренландский и Евразийский суббассейны Северного Ледовитого океана и шельф моря Лаптевых и продолжающегося в Восточную Якутию. В соответствии с типом земной коры регионов, через которые проходит сейсмический пояс, в последнем можно выделить океаническую и континентальную части.

Естественный вопрос о тектонической природе арктических землетрясений поднят давно и продолжает дискутироваться до настоящего времени. Как известно, сейсмичность Земли сосредоточена в трех основных поясах: Тихоокеанском, Азиатско-Средиземноморском и поясе срединно-океанических хребтов. Поэтому вполне обоснованными выглядят попытки отнесения Арктического пояса к одной из этих глобальных сейсмоактивных зон. Сначала на основе географической связи зон эпицентров Атлантического и Северного Ледовитого океанов, а затем на базе планомерных батиметрических и геофизических исследований было развито представление о том, что океаническая часть Арктического пояса является фрагментом пояса срединно-океанических хребтов, возникновение землетрясений в котором обусловлено действием рифтогенных сил [4, 9, 11].

Предположение о генетическом единстве океанической и континентальной частей Арктического пояса также базировалось первое время лишь на непрерывности линии эпицентров, однако в последние годы получены и другие подтверждающие геолого-геофизические данные. В частности, на шельфе моря Лаптевых по данным ГСЗ [5] установлено «утонение» «гранитного» слоя и пониженные значения скоростей сейсмических волн в верхней мантии (7,5 км/с) - факторы, характерные для рифтовых зон. На севере Восточной Якутии собраны геологические материалы, используемые для доказательства существования в этом районе рифтогенных структур [3].

Как известно, важное, а зачастую решающее значение при установлении природы сейсмичности любого региона придается материалам по изучению механизмов напряжений в очагах. Основной подход к решению проблемы состоит в получении новых данных и сравнению их с уже имеющимися по другим сейсмоактивным зонам, природа сейсмичности в которых считается окончательно установленной и сомнению не подлежит. Для различных участков Арктического пояса такие исследования проведены рядом авторов [8, 10, 13], причем за эталон брались данные по Срединно-Атлантическому хребту. Необходимость критического анализа результатов этих исследований, попытка которого сделана в этой статье, определяется тем, что основанные на них выводы отдельных авторов о природе землетрясений Арктического пояса не совпадают с теми, что получены на базе других геолого-геофизических данных.

Л.А. Мишарина провела определение механизмов напряжений и сравнительный анализ полученных результатов по очагам землетрясений Арктико-Атлантического пояса и пришла к следующему заключению: «… Горизонтальные растягивающие напряжения в очагах землетрясений Атлантического океана ориентированы, как правило, вкрест простирания структур, а горизонтальные сжимающие напряжения в подавляющем большинстве случаев согласуются с осевой линией подводных хребтов…» и далее:

«… В западной и центральной частях сейсмического пояса Арктики, совпадающих с зоной срединно-океанического хребта, ориентация осей напряжений в очагах землетрясений аналогична ориентации осей напряжений в· очагах Срединной Атлантики …Для восточной части пояса, где срединно-океанический хребет исчезает, указанная аналогия не имеет места» [10, с. 158,159].

Таким образом, здесь отрицается единая природа сейсмичности всего Арктического пояса. Этот вывод имеет основополагающее значение и не может быть принят без проверки.

Как известно, в результате действия ортогональных горизонтальных растягивающих и сжимающих напряжений образуются вертикальные взаимно перпендикулярные разрывы, представляющие собой горизонтальные сдвиги. На это указывают и авторы упомянутой работы: «… На всем протяжении Арктико-Атлантического сейсмического пояса возможные плоскости разрывов в очагах характеризуются крутым падением, и преобладающую роль в подвижках играет компонента смещения по простиранию плоскости разрыва» (то есть сдвиговая компонента - А.Г.П.). В таком случае становится непонятным, почему в областях растяжения, каковыми являются срединно-океанические хребты, преобладают подвижки по простиранию зон разрыва, в то время как представление о зонах растяжения базируется на существовании грабена, ограниченного двумя нормальными сбросами, то есть преобладающими движениями должны быть смещения по падению.

Объяснение этому несоответствию заключается в следующем обстоятельстве, не учтенном авторами [10]. Как было показано Дж.Т. Вильсоном [14], землетрясения срединно-океанических хребтов локализуются в двух участках: на гребне хребта и в зонах трансформных разломов на отрезке между смещенными фрагментами рифта, причем именно в трансформных разломах отмечается наиболее высокая сейсмичность (рис.1). В соответствии с этим различают и два типа механизмов в очагах: на гребне – «смещение: по падению» (нормальный сарос), в трансформных разломах «смещение по простиранию» (сдвиг). Это показано Л.Р. Сайксом на примере определения механизмов землетрясений Срединно-Атлантического хребта [13]. Именно для землетрясений трансформных разломов получается квадрантное распределение знаков смещений и близвертикальные нодальные плоскости, одна из которых совпадает с зоной сдвига, то есть зоной трансформного разлома. Если оба типа механизмов в соответствии с моделью очага, принимаемой А.М. Балакиной и др. [10], представить парами сил сжатия и растяжении, видно, что направления одноименных напряжений для землетрясений в рифтовой зоне и в трансформном разломе в общем случае разнятся на 45° (рис.1). Имея в виду возможные смещения рифта в разные стороны, следует ожидать различия направлений уже на 90°. Таким образом, обнаружение различной ориентировки осей напряжений на срединно-океаническом хребте не является доказательством непременного изменения тектонической природы сейсмичности. Более того, можно утверждать, что океанический рифтогенез предопределяет существование различной ориентировки осей напряжений в зависимости от локализации эпицентров в том или ином участке рифтовой зоны.

Исходя из параметров очагов, полученных Л.А. Мишариной [10], следует предположить, что все обследованные там землетрясения Атлантики приурочены к зонам трансформных разломов. Нанесение эпицентров на тектоническую карту дна Атлантического океана (рис. 2) показало хорошее подтверждение этому предположению для большинства землетрясений. Очевидно также, что оси растяжения в очагах этих землетрясений ортогональны генеральному простиранию линии эпицентров, а не простиранию рифтогенной структуры (местного отрезка рифта), как это было показано [10]. Эти два направления могут существенно различаться в случае больших параллельных смещений оси рифта по трансформным разломам, что и имеет место в приэкваториальной части Срединно-Атлантического хребта, в районе Азорских островов, Исландии, где и произошли обработанные Л.А. Мишариной [10] землетрясения. Налицо тот случай, когда один недочет наложился на другой и в результате получился правильный ответ.

Таким образом, приведенные данные по землетрясениям [10] характеризуют механизм напряжений лишь в отдельных особых участках хребта. Кроме того, на рис.2 видно, что часть даже самых надежных, по мнению Л.А. Мишариной, данных не укладывается в модель Дж.Т. Вильсона. Землетрясения 15 и 17 попадают на трансформные разломы, но находятся вне отрезка между смещенными участками рифта. Распределение осей напряжений в эпицентрах 16, 17, 18 соответствует правосторонним сдвигам, вместо левосторонних, которые следовало бы ожидать, исходя из модели Вильсона. Вполне возможно, что это связано не с погрешностями в определении параметров землетрясений, а с ограниченностью наших представлений о характере и направленности тектонических движений в рифтовых зонах. Очевидно, что использование в качестве эталона для установления тектонической природы сейсмичности в Арктическом регионе данных по Атлантическому сейсмическому поясу должно проводиться с большой осторожностью и с учетом указанных выше обстоятельств. В противном случае процедура сравнения некорректна.

По Арктическому поясу Л.А. Мишариной обработано 17 землетрясений [10], из которых 9 расположено в Норвежском и Гренландском морях на срединных хребтах Книповича и Мона, 7 - на хребте Гаккеля и в зоне его геоморфологического вырождения и 1 - на шельфе моря Лаптевых. Все определения дали механизм· типа «сдвиг по простиранию», что так же, как и в Атлантике, заставляет предположить локализацию обследованных землетрясений в трансформных разломах. Для 9 землетрясений Норвежского и Гренландского морей это подтверждается нанесением эпицентров на карту тектоники дна (рис. 3). В этом районе развиты особенно мощные разломы, приводящие к огромным смещениям гребней срединно-океанических хребтов (разломы у берегов Исландии, разлом Ян-Майен, Шпицбергенский разлом и др.). Однако следует отметить, что не для всех определений характер подвижек по разлому согласуется с моделью Вильсона. Так, для землетрясения 15 в Шпицбергенском разломе подучается левосторонний сдвиг вместо ожидаемого правостороннего. В тоже время Хорсфилдом и Мэтоном для двух землетрясений в этом же разломе получен также механизм типа «сдвиг по простиранию», но с направлением подвижек, согласующимся с представлениями о трансформном разломе [12]. Для землетрясений Евразийского суб6ассейна не удалось получить уверенного совпадения исследованных землетрясений с зонами поперечных разломов, что может быть объяснено несколькими причинами: отсутствием мощных разломов, меньшей, по-видимому, точностью определения положения рифтовой зоны и зон разломов, меньшей точностью определения координат эпицентров. Как видно из рис. 1, в случае незначительного смещения оси рифта по обе стороны от разлома генеральное простирание линии эпицентров близко к простиранию местного отрезка рифта, в результате чего исчезает второй фактор, исправивший неучет в работе Л.М. Балакиной и др. [10] существования двух типов механизмов землетрясений. Таким образом, в Евразийском суббассейне, где из-за отсутствия значительных поперечных смещений оси рифта весьма вероятно включение в обработку землетрясений обоих типов, вполне возможно получение разброса одноименных осей напряжений для различных землетрясений. Из-за значительной удаленности и труднодоступности района хребта Гаккеля и вытекающей отсюда пониженной точности определения координат эпицентров и положения самого хребта очень трудно установить приуроченность землетрясения к тому или иному элементу хребта и тем самым выяснить причину разброса. Кроме того, следует отметить, что и сами определения, на основе которых сделан вывод об отличии природы сейсмичности в восточной части Евразийского суббассейна, немногочисленны, причем для двух из трех толчков механизм определяется неуверенно. Для землетрясения 5 Л.Р.Сайксом [13] получено другое положение осей, соответствующее механизму типа «сдвиг по падению» с осью растяжения, ортогональной простиранию структуры.

Таким образом, единичные, ненадежные сами по себе и не привязанные к конкретным тектоническим элементам определении механизма напряжений не могут поставить под сомнение другие данные, свидетельствующие о единой рифтогенной природе сейсмичности Срединной Атлантики и Евразийского суббассейна.

В континентальной части Арктического пояса распределение эпицентров менее упорядочено, причем если на шельфе моря Лаптевых линейность центральной сейсмоактивной зоны все-таки очевидна, то в Восточной Якутии землетрясения рассеяны по большой территории, лишь в отдельных участках образуя некоторые сгущения. По этому участку Арктического пояса изучение механизмов напряжений проводилось также Л.А. Мишариной·[8] и в последние годы Б.М.Козьминым [6]. Сразу же следует отметить невысокую, по утверждению самого автора [8], надежность определений, обусловленную малым количеством станций наблюдения, что конечно должно в какой-то степени искажать истинное положение дел. Тем не менее, даже с учетом этого обстоятельства следует признать, что наблюдаемая в континентальной части Арктического пояса общая картина ориентации осей главных напряжений явно отличается от той, что отмечается в океанической части. Это менее очевидно для шельфа моря Лаптевых и совершенно явно для Восточной Якутии. При весьма рассеянном распределении эпицентров имеет место большое рассеяние ориентировки осей напряжений: субгоризонтальные оси сжатия меняют азимут простирания от 16° до 295°, оси растяжения меняют свое положение от субгоризонтального до наклонного с отклонением от горизонтальной плоскости до 60°, простирание их колеблется от 27° до 317°. В соответствии с этим преобладают чисто сдвиговые, взбросо-сдвиговые, взбросовые подвижки. На основании этих данных делается напрашивающийся вывод о различном генезисе сейсмичности океанической и континентальной частей Арктического пояса [6].

Приступая к обсуждению этого вывода, считаем вправе заявить следующее. Еще до получения данных по механизмам очагов землетрясений можно было утверждать, что по континентальной части пояса не будет получена та же картина распределения напряжений, что и по океанической, даже если глубинные источники землетрясении одни и те же для обоих участков. Здравый смысл подсказывает, что трудно ожидать одинаковой реакции на действующие напряжения океанической земной коры, образовавшейся и преобразовавшейся под воздействием этих напряжений, и мощной гетерогенной древней континентальной земной коры. Как было показано выше, даже в океанических рифтах существуют как минимум два типа механизмов напряжений, и неучет этого чреват серьезными ошибками в выводах. В континентальной же части Арктического пояса общая картина полей напряжений, регистрируемых на поверхности, должна быть еще более сложной, и в соответствии с этим подход к геологическому истолкованию сейсмологических данных еще более осторожным. Очевидно, что ориентировка накапливающихся напряжений, определяемая направленностью действующих тектонических процессов, и ориентировка релаксированных и зарегистрированных во время землетрясения напряжений будут совпадать лишь в однородной идеально упругой среде. В реальных же условиях это возможно лишь после того, как структура среды претерпит соответствующие изменения и перестройку под влиянием действующих тектонических процессов. В этом случае должна иметь место четкая локализация эпицентров землетрясений во вполне определенных зонах и строгая упорядоченность направлений осей напряжений. Это и наблюдается на срединно-океанических хребтах, в зонах Заварицкого-Беньофа, в достигших определенной стадии континентальных рифтах (Байкал и др.), где направленные тектонические воздействия привели к образованию соответственно ориентированных глубинных расколов. В тех же случаях, когда это еще не произошло, в условиях, например, континентального рифтогенеза, развивающегося на мощной гетерогенной коре, до возникновения генерального раскола положение образующихся во время землетрясения площадок разрыва, а следовательно, и получаемых осей напряжений будет являться результатом суммарного действия двух факторов: направленности тектонических сил и направленности возможных ослабленных зон, уже существовавших в литосфере. Очевидно, что в этом случае распределение эпицентров должно быть рассеянным, ориентировка осей напряжений неупорядоченной, а истинная картина действующих тектонических процессов окажется затушеванной, причем все эти особенности будут тем сильнее, чем сложнее реальная среда. Именно сложность и гетерогенность среды являются одними из решающих факторов в формировании своеобразия картины сейсмичности эпиплатформенных и эпиорогенных континентальных рифтовых зон, а также более мелких специфических особенностей каждой конкретной зоны. Рассеянный характер сейсмичности континентальных рифтовых зон противоречит положению ортодоксального мобилизма, согласно которому разрядка тектонических напряжений происходит исключительно на границах жестких плит литосферы. Подобные представления приемлемы лишь как основа для глобальных построений и демонстрации тенденций в развитии литосферы Земли и недостаточны для понимания процессов тектогенеза каждого конкретного региона, подобно тому, как достаточная для решения общепланетарных геологических проблем двуслойная модель консолидированной земной коры должна быть модернизирована, усложнена и приближена к реальной при исследовании локальных прикладных вопросов в конкретном регионе. В реальных условиях компенсация растяжения литосферы может происходить в зонах сжатия, расположенных не за тысячи километров на конвергентных границах плит, а по ослабленным зонам в пределах самих плит, возможно даже в непосредственной близости от оси растяжения. Более того, вполне реальны случаи, когда границу между зонами сжатия и растяжения провести окажется невозможным из-за их перекрытия. Именно с этим явлением сталкиваемся в море Лаптевых, где боковые зоны сжатия, протягиваемые из Евразийского суббассейна, сближаются с центральной зоной, продолжающей пояс Срединно-Арктического хребта [1]. Проведенное нами определение механизма напряжений в очаге землетрясения 15 декабря 1973 года, отмеченного в восточной боковой сейсмоактивной зоне моря Лаптевых, показало наличие сдвиговой подвижки по широтно ориентированной площадке разрыва [2]. Подобный механизм напряжений следует ожидать во всех землетрясениях, трассирующих ослабленные зоны, субортогональные оси растяжения в центральной части шельфа моря Лаптевых (рис. 3). В ослабленных зонах, имеющих другое простирание, возможны другие типы подвижек. В частности, для землетрясений, расположенных у западного фронта Новосибирских островов и восточного фронта Таймыра, следует ожидать подвижки взбросового характера, приводящие к дифференцированным вертикальным движениям. Это подтверждается явной приуроченностью эпицентров указанных землетрясений к зонам резкой смены знаков гравитационных аномалий. Подобный подход к прогнозу ожидаемых подвижек в очагах землетрясений позволяет объяснить полученные ориентировки осей напряжений для землетрясений 19 мая 1963 года (№13) и 21 июля 1964 года [6, 8]. Как видно на рис. 3, эпицентры этих землетрясений расположены западнее выделяемого по комплексу геолого-геофизических данных грабена, продолжающего рифтовую зону Срединно-Арктического хребта, что заставляет относить их к западной боковой зоне сжатия. Сдвиговый характер подвижек, по-видимому, обусловлен влиянием субортогональных рифтогенному грабену разломов, трассирующих Оленекский авлакоген.

Рис.3 Напряжения сжатия и растяжения в очагах

землетрясений Арктики

1 – оси растяжения; 2 – оси сжатия; 3 – рифт, смещенный трансформным разломом; 4 – граница Срединно-Арктического хребта; 5 – граница океанического бассейна; 6 – рифтогенный грабен на шельфе моря Лаптевых, 7 – Оленекский авлакоген; 1972 – год землетрясения.

Цифры на рис. – номера землетрясений по Л.А. Мишариной [10].

Континентальное рифтообразование известно в ряде областей земного шара, достаточно хорошо изучено и классифицировано в зависимости от особенностей предшествующего тектонического положения области современного рифтогенеза и интенсивности глубинных процессов [7]. Место шельфа моря Лаптевых в этой классификации не столь очевидно, как для других регионов, так как некоторые необходимые признаки либо отсутствуют, либо определяются неоднозначно, либо не могут быть обнаружены из-за особенностей положения района, а именно наличия толщи воды и большой мощности осадков. На основе всей совокупности имеющихся данных по тектонике этого региона, его сейсмичности и глубинному строению он, скорее всего, может быть отвесен к областям эпиплатформенного рифтогенеза сводово-вулканического типа. Говорить об этом с полной уверенностью не позволяет отсутствие данных о вулканической деятельности, которая, как известно, в рифтовых зонах подобного типа должна быть исключительно мощной. Отсутствие проявлений вулканизма можно связывать либо с аномальностью реальной среды, подвергающейся действию рифтогенных сил, в частности, наличием мощного осадочного чехла, плохой проницаемостью литосферы, либо пониженной интенсивностью глу6инного источника рифтогенеза, возможно даже затуханием его деятельности.

Еще большая рассредоточенность распределения эпицентров землетрясений и неупорядоченность ориентировки осей напряжений на территории Восточной Якутии, характеризующейся широким развитием мезозоид, является логической реакцией еще более сложно построенной, чем в Евразийском суббассейне и море Лaптевых, реальной среды на воздействие современных тектонических процессов. Относительно равномерное распределение сейсмичности по огромной территории свидетельствует о значительной раздробленности литосферы. В этих условиях даже при наличии вполне определенно ориентированных глубинных тектонических процессов на поверхности должны иметь место весьма разнообразно направленные подвижки, причем выделение зон чистого сжатия или растяжения вряд ли окажется возможным. Следует предполагать чередование и перекрытие зон сжатия и растяжения, и очевидно, что наиболее интенсивные землетрясения будут происходить в зонах сжатия. Поэтому нет ничего удивительного в том, что имеющиеся определения механизмов, проведенные естественно для самых сильных землетрясений, дали преобладание взбросовых подвижек. Сложность картины распределения напряжений в очагах землетрясений Северо-Востока СССР усугубляется еще и тем, что в этом регионе происходит слияние двух глобальных сейсмоактивных поясов Земли (срединно-океанических хребтов и Тихоокеанского), обусловленных действием противоположно направленных тектонических процессов. В результате этого Северо-Восток СССР является ареной действия двух антагонистических эндогенных процессов: рифтогенного и орогенного. Подобная тектоническая ситуация имеет место, по-видимому, в пределах северного (Канадского) сегмента Кордильер в зоне перехода к ним океанических рифтовых хре6тов Горда - Хуан-де-Фука - Эксплорер.

Таким образом, на основании всего выше сказанного считаем возможным заключить, что, на наш взгляд, Арктический сейсмический пояс обусловлен действием процессов океанического рифтогенеза на участке от Северной Атлантики до шельфа моря Лаптевых, континентального рифтогенеза на шельфе моря Лаптевых и континентального рифтогенеза и орогенеза на Северо-Востоке СССР.

Л и т е р а т у р а

I. Аветисов Г.П. Сейсмичность моря Лаптевых и ее связь с сейсмичностью Евразийского бассейна. - В кн.: Тектоника Арктики, вып. 1. Л., 1975, с. 31-36.

2. Аветисов Г.П. О механизме напряжений в очаге одного арктического землетрясения. - В кн.: Геофизические методы разведки в Арктике. Л., 1978, с. 45-49.

3. Грачев А.Ф. Рифтовые зоны Земли. Л., Недра, 1977, 247 с.

4. Деменицкая Р.М., Карасик А.М. Мировая система срединно-океанических хребтов и ее северный фрагмент. - В кн.: Новейшие движения, вулканизм и землетрясения материков и дна океанов. М., Наука, 1969, с. 249-257.

5. Коган А.Л. Постановка сейсмических работ методом КМПВ-ГСЗ с морского льда на шельфе арктических морей (опыт работы в море Лаптевых). - В кн.: Геофизические методы разведки в Арктике, вып. 9. Л., 1974, с. 33-38.

6. Козьмин Б.М. Главные напряжения в очагах землетрясений Северо-Востока СССР. - В кн.: Новые данные по геологии Якутии. Якутск, 1975, с. 117-125.

7. Милановский Е.Е. Рифтовые зоны континентов. M., Недра 1976, 279 с.

8. Мишарина Л.А. Напряжения в земной коре в рифтовых зонах. М., Наука, 1967, 155 с.

9. Подводный Арктический хребет и его место в системе хребтов Северного Ледовитого океана. - Докл. АН СССР, 1967, т. 172, № 5, с. 659-662. Авт.: А.И. Рассохо, Л.И. Сенчура, Р.М. Деменицкая и др.

10. Поле упругих напряжений Земли и механизм очагов землетрясений. - В кн.: Сейсмология, вып. 8. М., Наука, 1972, 192 с. Авт.: Л.М. Балакина, А.В. Введенская, Н.В. Голубева и др.

11. Хизен Б., Юинг М. Срединно-океанический хребет и его продолжение через Арктический бассейн. - В кн.: Геология Арктики. М., Мир, 1964,.с. 574-597.

12. Horsfield W.T., Maton P.J. Transform Faulting along the Geer Line.- Nature, 1970, vol. 226, № 5242, р. 256-257.

13Sykes L.R. Mechanism of earthquakes and nature оf faulting on the Mid-Oceanic Ridges. J. Geophys. Res., 1967, vol. 72 № 8, р. 2131-2153.

14. Wilson J.T. A new class of faults and their bearing on continental drift. - Nature. 1965, vol. 207, р. 343-347.