21.02.2017

Ученые из немецкого центра полярных исследований в Бремерхафене в сотрудничестве с новосибирским геофизиком Иваном Кулаковым получили результаты, позволившие по-новому взглянуть на процесс зарождения литосферы в океане.

Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Scientific Reports из группы Nature. Об этом рассказал соавтор статьи, заведующий лабораторией сейсмических изображений Земли НГУ и лабораторией сейсмической томографии ИНГГ СО РАН, член-корреспондент РАН Иван Кулаков.

Литосфера — верхняя оболочка Земли, включающая в себя земную кору (океаническую или континентальную) и верхний слой мантии. Литосфера не является монолитной: она разделена на отдельные постоянно движущиеся плиты.

Литосфера океанов — это сложный механизм, находящийся в постоянном движении. Образование новой литосферы происходит в районе срединно-океанических хребтов. Это сеть подводных поднятий, существующих во всех океанах нашей планеты и расположенных на границах раздвижения литосферных плит.

— Срединно-океанические хребты представляют собой громадные вулканические цепи. Раздвижение литосферных плит приводит к тому, что мантийное вещество в виде магмы непрерывно изливается на поверхность вдоль хребта. Остывая, изверженные породы образуют тонкую корочку литосферы, толщиной не более 5 км. Участки новорожденной литосферы расходятся от хребта в противоположные стороны со скоростями, превышающими в некоторых местах 10 см в год. По мере удаления от места своего образования, литосфера постепенно охлаждается и становится более толстой и тяжелой. На краях океанов ее толщина может достигать 100 км. Став слишком тяжелой по прошествии десятков миллионов лет, она завершает свой путь и погружается обратно в мантию, — рассказывает Иван Юрьевич.

Известно, что образование новой литосферы в срединно-океанических хребтах сопровождается активной сейсмичностью, «хрустом», который регистрируют сейсмостанции, расположенные по всему миру. Однако по удаленным приборам невозможно определять точное положение землетрясений и их глубину. Поэтому для точного определения параметров таких землетрясений требуется устанавливать сейсмостанции на дне океана непосредственно в районе хребта, что является весьма сложной технической задачей.

Дно мирового океана. На рельефе четко выделяются срединно-океанические хребты. Горная энциклопедия, mining-enc.ru
Дно мирового океана. На рельефе четко выделяются срединно-океанические хребты. Горная энциклопедия, mining-enc.ru

По словам ученого, при изучении процесса рождения новой литосферы в срединно-океанических хребтах особняком стоят так называемые ультра-медленные хребты, где скорость раздвижения дна не превышает 1,2 см в год. В отличие от «быстрых» хребтов, выход магмы здесь происходит не непрерывно вдоль линии хребта, а в отдельных центрах, где формируются громадные вулканические постройки. Несмотря на столь малые скорости сейсмическая активность вдоль таких хребтов весьма сильная: довольно часто там случаются землетрясения с магнитудой, превышающей 6 баллов. На суше в таких случаях в домах падает мебель и появляются трещины в стенах. Но из глубины океана на поверхности воды не возникает никаких возмущений, и ни к каким последствиям для человека такие землетрясения не приводят.

Спрединг — процесс образования новой океанической литосферы в срединно-океанических хребтах за счет раздвижения океанических плит.

Самые известные зоны ультра-медленного спрединга – хребет Гаккеля в Арктике и Юго-Западный Индийский хребет, расположенный между Африкой и Антарктидой.

— Оба эти объекта весьма сложные для наблюдений из-за чрезвычайно суровых природных условий. Тем не менее, отважная команда из немецкого института полярных исследований имени Альфреда Вегенера (AWI) под руководством Веры Шлиндвайн произвела ряд уникальных экспедиций на корабле Polarstern на оба эти хребта. В южной части Индийского океана в экстремальных условиях непрекращающегося шторма они установили сейсмическую сеть на дно океана, которая успешно отработала в течение года и записала уникальный материал, — рассказывает геофизик.

Место проведения экспедиции (звездочка на вставке). Треугольники — сейсмические станции, установленные на дно океана. Точки — места крупных землетрясений, зарегистрированных мировой сейсмической сетью. Scientific Reports
Место проведения экспедиции (звездочка на вставке). Треугольники — сейсмические станции, установленные на дно океана. Точки — места крупных землетрясений, зарегистрированных мировой сейсмической сетью. Scientific Reports

Для анализа результатов аспирант центра полярных исследований Флориан Шмидт отправился в Новосибирск. В течение нескольких месяцев он осваивал методики обработки сейсмических данных, разработанные в лабораториях НГУ и ИНГГ СО РАН. В итоге совместно с Иваном Кулаковым была построена сейсмическая модель литосферы в районе работы сети на основе полученных данных.

— В срединно-океанических хребтах толщина литосферы очень мала. Поэтому считается, что очаги землетрясений располагаются в самых верхних слоях на глубинах, не превышающих нескольких километров. Каково же было наше удивление, когда после обработки нового материала с ультра-медленного хребта в Индийском океане выяснилось, что как раз в верхних нескольких километрах землетрясения практически отсутствуют! Основная сейсмичность наблюдалась ниже и распространялась до глубины 15–20 км.

— Это говорит о том, что после извержения охлаждение вещества в районе ультра-медленного хребта происходит гораздо быстрее, чем предполагалась ранее, и толщина новой океанической литосферы на оси хребта может превосходить 20 км, — говорит ученый.

Второй неожиданный вывод был связан с характером вулканической деятельности на хребте. Сейсмические станции устанавливались вокруг крупного вулкана, который специалисты считали активным. Однако ни одного землетрясения под вулканом зарегистрировано не было. Авторы статьи объяснили этот парадокс тем, что литосфера в районе вулкана сильно прогрета и насыщена водой, что делает ее пластичной. В результате она деформируется подобно мылу, не производя землетрясений, которые обычно сопровождают вулканическую деятельность. Однако в другой точке на линии хребта, расположенной в 30 км от этого вулкана, приборы зафиксировали характерный «звук», который был очень похож на сигнал, наблюдаемый под активными вулканами, когда магма пробивает себе путь по трещинам.

Схематическая интерпретация результатов сейсмических исследований. Черными точками обозначены землетрясения. Схематически показаны магматическая камера под сегментом 8 (вулканом) и пути миграции магмы в сторону сегмента 7.
Схематическая интерпретация результатов сейсмических исследований. Черными точками обозначены землетрясения. Схематически показаны магматическая камера под сегментом 8 (вулканом) и пути миграции магмы в сторону сегмента 7.

На основании этих наблюдений ученые выдвинули гипотезу, что в районе ультра-медленного хребта магма может мигрировать по горизонтали на значительное расстояние. Эта миграция сопровождается множеством землетрясений и формирует новые центры раздвижения океанического дна, где происходит образование новой океанической литосферы.

— Результаты наблюдений позволили по-новому взглянуть на детали процессов, происходящих в районе ультра-медленных центров спрединга. Они сломали некоторые существующие стереотипы и потребовали пересмотра некоторых фундаментальных аспектов, касающихся формирования новой океанической литосферы, — говорит Иван Кулаков.

Последняя редакция: 22.02.2017 16:48