Эволюция тектонического прогибания южной части Восточно-Баренцевского осадочного бассейна
С.П. Нилов, А.Н. Москаленко, А.К. Худолей
Санкт-Петербургский государственный университет,
Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7-9
По результатам интерпретации шести сейсмических профилей и с учетом разрезов единичных глубоких скважин проведена реконструкция истории прогибания южной части Восточно-Баренцевского осадочного бассейна. Построены кривые общего и тектонического прогибания, позволившие определить величину растяжения литосферы (коэффициент Я) на протяжении истории развития региона. Значения коэффициента Я варьируют в диапазоне от 2,5-3,0 для зон с максимальной мощностью осадков в центральной части прогиба до 1,25-1,66 для зон с минимальной мощностью осадков на окраинах прогиба.
Близкие величины коэффициента Я характеризуют Атлантическое побережье Северной Америки в области широкого развития переходной коры. Если наблюдаемую в настоящее время континентальную кору соседних регионов Балтийского щита (около 40 км) рассматривать как ненарушенную, то, согласно сейсмическим данным, утонение коры в осадочных бассейнах Баренцева моря достигает примерно 2,5, что близко к значениям, получаемым по модели Маккензи.
Сопоставление полученных данных с теоретическими моделями прогибания на пассивных окраинах указывает, что рифтогенез и переход к стадии формирования осадочного бассейна происходил по модели равномерного растяжения Маккензи. Хотя имеющиеся геологические данные свидетельствуют, что наиболее интенсивная фаза рифтогенеза была в позднем девоне, судя по форме кривых общего и тектонического прогибания, наиболее интенсивное прогибание происходило в перми и триасе. Полученное противоречие позволяет предполагать, что в результате позднедевонского рифтогенеза сформировался глубоководный бассейн, заполнение которого осадками началось только в перми. Глубина бассейна, оцениваемая по литологическим и палеонтологическим данным, колеблется в пределах от 1,0 до 3,5 км. Судя по форме кривых тектонического прогибания, для каменноугольного времени оценка глубины бассейна в 3,0-3,5 км наиболее реалистична.
Ключевые слова: Восточно-Баренцевский осадочный бассейн, Южно-Баренцевская впадина, кривые тектонического прогибания, коэффициент (Я).
The Tectonic Subsidence Evolution of the Southern Part of the East Barents Sedimentary Basin The study was supported by RFBR-Norway grant № 16-55-20012.
S.P. Nilov, A.N. Moskalenko, A.K. Khudoley St. Petersburg State University, 7-9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation
The history of the subsidence of the southern part of the East Barents Sedimentary Basin was reconstructed based on the interpretation of 6 seismic profiles along with data from rare deep wells. Total and tectonic subsidence were estimated, which made it possible to determine the magnitude of the lithosphere stretching factor (Я) throughout the history of the region. The values of the stretching factor (Я) range from 2.5-3.0 for areas with the highest thickness of sediments in the central part of the basin, to 1.25-1.66 for areas on the margins of the basin with the lowest thickness of sediments. Close values of the stretching factor (Я) characterize the Atlantic coast of North America in the area with predominant distribution of transitional crust.
If continental crust from adjacent areas of the Baltic Shield (approximately 40 km) is accepted as unreformed, then according to seismic data, the crust thinning was approximately 2.5, which is close to thinning estimated from the McKenzie model. Comparison of the obtained data with theoretical models of passive margins subsidence indicates that rifting and transition to the stage of sedimentary basin formation occurred in accordance with the McKenzie uniform stretching model. Although available geological data show that the most intense rifting occurred in the Late Devonian, the shape of the total and tectonic subsidence show that the most intense deposition occurred in the Permian and Triassic. This contradiction gives evidence for the interpretation that after the Late Devonian rifting, a deep-water basin was formed which filled in only in the Permian. Water depth estimated from interpretation of sediment logical and paleontologicaldata varies from 1.0 to 3.5 km. According to the shape of the tectonic subsidence curve, during the Carboniferous, water depth was close to 3.5 km.
Keywords: East Barents Sedimentary Basin, South Barents Basin, tectonic subsidence curves, stretching factor (Я).
Введение
Баренцево море является наиболее хорошо изученным регионом Российской Арктики, в котором широко проводились сейсмические исследования, включая серию опорных геолого-геофизических профилей, в разных частях пробурены глубокие скважины, позволяющие более надежно производить интерпретацию сейсмических данных. Геологическому строению и эволюции этого региона посвящен ряд обобщающих монографий и статей (Faleide et al., 2018; Henriksen et al., 2011; Малышев, 2002; Шипилов и Тарасов, 1998), предложено несколько палеогеографических реконструкций (Basovet al., 2009; Henriksen et al., 2011; Margulis, 2014). Значительный объем исследований под руководством Н.Н. Соболева был выполнен во Всероссийском научно-исследовательском геологическом институте (ВСЕГЕИ) им. А.П. Карпинского, часть которых послужила основой для Атласа геологической истории Баренцева моря (Atlas..., 2009). В то же время анализ тектонического прогибания дна бассейна и интерпретация его механизмов, широко используемые при изучении осадочных бассейнов (см., например: Allen and Allen, 2013), в публикациях по Баренцеву морю встречается весьма редко, и недавно опубликованная статья Старцевой и соавторов (Startsevaet al., 2017) по интерпретации профиля АР-4 является одной из немногих, где этот вопрос рассмотрен весьма детально.
Основным объектом нашего исследования является Южно-Баренцевская впадина, слагающая наряду с Северо-Баренцевской впадиной и впадиной Святой Анны Восточно-Баренцевский осадочный бассейн. Скважины, пробуренные в центральной части Восточно-Баренцевского бассейна, вскрывают разрез до терригенных пород нижнего триаса. В восточной части бассейна, на Адмиралтейском поднятии, скважиной вскрыт разрез до карбонатных пород раннепермского -- каменноугольного возраста. Часть отражающих горизонтов, выделенных на сейсмопрофилях Восточно-Баренцевского бассейна, продолжаются на юго-восток, в Печороморский бассейн, где также по скважинам привязываются к отложениям подошвы нижнего девона -- кровле осадочного комплекса верхней перми. Цель настоящей работы -- на основе имеющихся результатов сейсмических исследований провести анализ кривых полного и тектонического прогибания для южных частей Восточно-Баренцевского осадочного бассейна, что частично восполнит пробел в этом направлении исследований.
1. Методика исследования
Анализ прогибания основания осадочного бассейна юго-восточной части Баренцевского региона проводился по шести региональным сейсмическим профилям (рис. 1). Для восстановления истории прогибания бассейна использовался метод построения кривых полного и тектонического прогибания, известный также как backstripping (Bondand Kominz, 1984; Bondet al., 1995; Никишин и др., 1999; Худолей, 2004; Allen and Allen, 2013), основная идея которого изображена на рис. 2. Данный метод заключается в постепенном снятии нагрузки осадочных пород, учитывая как литолого-стратиграфические характеристики пород, так и глобальные изменения уровня моря с последующим построением кривой прогибания в заданной точке на геологическом разрезе.
Рис. 1. Тектоническая схема Восточно-Баренцевского осадочного бассейна по (Соболев и др.)
Рис. 2. Последовательность процедур при расчете тектонического погружения по (Bondand Kominz, 1984)
При построении кривой тектонического прогибания предполагается, что восстановление истории тектонического прогибания производится по разрезу, в котором выделены литостратиграфические подразделения Ai,замерены их мощности Мі,а также установлены возраст их контактов и примерная глубина моря во время их осадконакопления. Расшифровка истории производится снизу вверх по разрезу. Сначала на основании данных об изменении пористости и плотности пород при погружении восстанавливается первичная мощность Н1 подразделения А1, то есть мощность пород, слагающих это подразделение на время их осадконакопления. К рассчитанной первичной мощности добавляется глубина морского бассейна (с учетом поправки на эвстатические колебания уровня моря) W1и таким образом определяется глубина залегания фундамента D1к концу накопления осадков подразделения А1. После этого рассчитывается изостатическая составляющая прогибания, то есть та часть прогибания фундамента, которая обусловлена весом осадков подразделения А1 и воды W1. Эта величина вычитается из глубины залегания фундамента D1, после чего глубина до поверхности фундамента Y1снова рассчитывается, исходя из предположения, что единственной нагрузкой является вода. Поскольку изостатическая составляющая убрана, величина Y1интерпретируется как прогибание, обусловленное тектоническими причинами, и она наносится на диаграмму зависимости тектонического прогибания (Y) от времени (T).
Далее аналогичная процедура производится с подразделением А2, но при этом учитывается, что к концу накопления подразделения А2 мощность подразделения А1 уменьшится за счет уменьшения его пористости и увеличения плотности из-за веса вышележащих осадков подразделения А2, и будет уже не Н1, а Н1а, где Н1а< Н1. Соответственно, глубина залегания фундамента D2будет равна сумме мощности Н1а, Н2 и W2. После учета изостатической составляющей определяется глубина до поверхности фундамента Y2, интерпретируемая как прогибание, обусловленное тектоническими причинами. Данная процедура повторяется для каждого литостратиграфического подразделения. После внесения поправок на эвстатические колебания уровня моря и на комплексы, уничтоженные в результате размывов, строятся кривые полного прогибания дна бассейна и прогибания, обусловленного только тектоническими процессами, называемые также кривыми тектонического прогибания (см. рис. 2). В дальнейшем основное внимание уделяется построению и анализу кривых тектонического прогибания.
Рис. 3. Теоретические кривые зависимости тектонического прогибания от времени по (Bondand Kominz, 1984; Bond et al., 1995), рассчитанные для модели равномерного растяжения коры Маккензи (McKenzie, 1978)
Подробное рассмотрение различных механизмов, вызывающих прогибание дна осадочного бассейна, представлено в монографии Ф. Аллена и Д. Аллена (Allen and Allen, 2013). Для исследуемого региона общепринято предположение о наличии интенсивного позднедевонского рифтогенеза (Малышев, 2002; Atlas..., 2009; Startsevaet al., 2017), что указывает на растяжение как на основной механизм формирования осадочного бассейна. Наиболее разработанной моделью рифтогенеза является модель Маккензи (McKenzie, 1978), которая характеризует обстановку равномерного растяжения литосферы. Для данной модели построены теоретические кривые, форма которых определяется величиной растяжения литосферы (коэффициент Я) на стадии ее термического прогибания после завершения растяжения, связанного с собственно рифтогенезом (рис. 3). При этом также предполагается, что из общей величины тектонического прогибания на долю прогибания, обусловленного рифтогенезом, приходится 40 %, а на долю происходящего после окончания рифтогенеза термического прогибания -- 60% (Bondand Kominz, 1984; Bond et al., 1995). Таким образом, сопоставляя результаты тектонического прогибания исследуемого региона с моделью рифтогенеза по Маккензи, возможно получить данные о величине растяжения литосферы и оценить интенсивность происходивших тектонических процессов. В настоящее время существует несколько программ, позволяющих производить расчеты величин полного и тектонического прогибания. Нами для этих целей использовался алгоритм backstripping программы TecMod 2018, методические основы которой изложены в ряде работ (Rьpke et al., 2010; 2008; Theissen-Krah et al., 2017) и которую любезно предоставил ее разработчик Д. Шмид (D. Schmid) из Университета Осло.
2. Фактический материал и результаты исследования
Для реконструкции эволюции бассейна осадконакопления нами были произведены расчеты кривых полного и тектонического прогибания по сети сейсмических профилей, четыре из которых пересекают бассейн примерно вкрест его простирания (KS0913, KS1030, KS104, KS0819), а два -- примерно вдоль его простирания (KS0908, KS0924) (см. рис. 1). Стратиграфическая интерпретация всех профилей была предоставлена сотрудниками ВСЕГЕИ (рис. 4). На каждом из профилей выделены шесть сейсмических горизонтов, которые отвечают кровле мелового комплекса в современном рельефе (горизонт «dno»), кровле верхнеюрского комплекса (горизонт «B»), кровле триасового комплекса (горизонт «Be») и его подошве (горизонт «I»), контакту перми и карбона (горизонт «Ia»), подошве верхнего девона (горизонт «III3-D»). По составу в рассматриваемом регионе отложения до середины перми представлены преимущественно карбонатами. Начиная с середины перми доминирует песчано-алеврито-глинистый материал, а меловые отложения представлены преимущественно песчаниками. Изучаемые разрезы практически непрерывные, что избавляет от необходимости внесения поправок на влияние размывов, количественная оценка которых всегда связана со значительными погрешностями.
Рис. 4. Региональные сейсмические профили. Вертикальными линиями показано расположение псевдоскважин, по которым производился расчет тектонического прогибания (красная -- в наиболее глубокой части бассейна, синяя -- на периферии). В скобках -- названия горизонтов. Расположение профилей см. на рис. 1
Рис. 5. Кривые тектонического прогибания, рассчитанные в программе TecMod для шести изучаемых профилей. Для каждого профиля показано тектоническое прогибание, рассчитанное для псевдоскважин (их расположение см. на рис. 4) в наиболее глубокой части бассейна (красная линия) и на его периферии (синяя линия)
История образования Восточно-Баренцевского бассейна реконструировалась только с позднего девона в связи с тем, что породы, подстилающие синрифтовые отложения позднего девона, в настоящее время не стратифицируются и рассматриваются лишь в составе акустического фундамента (Startsevaet al., 2017). В пределах каждого из профилей в наиболее глубокой части бассейна и на его окраине выбиралась вертикальная линия (псевдоскважина), по которой производилось определение необходимых для моделирования параметров -- глубины залегания и возраста сейсмических горизонтов, состава пород ограниченных ими подразделений и величины эвстатического колебания уровня моря для рассматриваемого промежутка времени (последняя уже заложена в программе) Полученные данные суммированы в таблице в приложении 3.1. Приложение дано в авторской редакции . Ввиду отсутствия прямых наблюдений о структурах и текстурах осадочных пород оценка глубины морского бассейна не производилась.
Построенные кривые тектонического прогибания приведены на рис. 5. С учетом постоянства состава выделенных подразделений амплитуда тектонического прогибания определяется мощностью осадочного чехла. В целом величина тектонического прогибания варьирует примерно от 1 до 5 км, но для каждого из профилей разница в амплитудах тектонического прогибания в центральной и краевой частях осадочного бассейна не превышает 3 км. Форма кривых тектонического прогибания на графиках для всех шести профилей сходна, отличаясь для центральной и краевой частей бассейна только амплитудой прогибания. Повсеместно фиксируется медленное прогибание до начала перми, после чего, судя по форме кривых, скорость прогибания возрастает, оставаясь практически постоянной до начала юры или же с небольшим увеличением скорости в конце перми -- раннем триасе. Начиная с юры скорость тектонического прогибания резко уменьшается и, судя по наклону графика, становится примерно такой же, какой была в позднем девоне и каменноугольном периоде.