© Лаборатория геоморфологии и тектоники дна океанов, 1999-2000.
® Геологический институт РАН, 1985-2000.

Геоморфологические и сейсмические исследования Центральной Атлантики Лаборатории геоморфологии и тектоники дна океанов ГИН РАН в 22-ом рейсе НИС “АКАДЕМИК НИКОЛАЙ СТРАХОВ” (апрель - июнь 2000 г.)

ВВЕДЕНИЕ

Рейс выполнялся в соответствии государственной программой "Мировой океан" Начальник экспедиции ГИН РАН - Пейве Александр Александрович канд. геол.-мин. наук г. Москва. Рейс осуществляется совместно с Итальянским институтом Морской геологии (Istituto di Geologia Marina CNR, Bologna) - Болонья (Италия). Руководитель итальянской группы профессор Бонатти Энрико (Bonatti Enrico).

ПОСТАНОВКА НАУЧНОЙ ЗАДАЧИ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РОССИЙСКОЙ ЧАСТИ ЭКСПЕДИЦИИ

Научная программа и объекты исследований были предложены доктором геол.-мин.наук Мазаровичем А.О. в 1998 году и доложена на Ученом совете ГИН РАН. Суть программы заключалась в следующем.
Гребневая часть Срединно-Атлантического хребта (САХ) изучена неравномерно. Обширная информация была получена о батиметрии на основании данных многолучевого эхолотирования между 24° и 31° с.ш. (Purdy et al., 1982, Kong et al., 1992) и 30°40’ - 32°20’ с.ш. (Турко и др., 1992, Pavlenko, 1995), по Южной Атлантике (Grindlay et al., 1991). Новые батиметрические и магнитометрические данные были опубликованы недавно на осевую часть САХ между разломами Кейн и Зеленого Мыса (Gente et al., 1994, Аплонов, Трунин, 1995). Исследованиями, Геологического института РАН, и совместными работами российско-итальянских экспедиций была охвачена гребневая часть САХ между районом экватора и 15°20’ с.ш., за исключением районов между 7°-5° и 9°-12° с.ш.
Основной объем работ по геологическому опробованию коренных пород дна в центральной части Атлантики был проведен советскими (российскими), американскими, французскими и итало-российскими экспедициями. В настоящий момент известно порядка 1100 станций, из которых на 774-х были подняты коренные породы. Менее всего исследованы участки САХ от 16° до 22° с.ш., между 5° и 7° с.ш., а также между 5° и 10° ю.ш.
В ряде районе Центральной Атлантики существуют (Мазарович, Соколов, 1997) положительные вертикальные движения со значительными амплитудами. Складчатые дислокации осадочного чехла и разрывные нарушения установлены во многих котловинах Атлантического (Демерара, Сьерра-Леоне, Канарской, Ангольской) и Индийского (Северо-Австралийской, Западно-Австралийской, Центральной) океанов. При этом могут подниматься как сравнительно незначительные по масштабу (первые километры) участки, так и протяженные (сотни километров) блоки океанической коры. Их подъемы вызывают и (или) вызывали деформации осадочного чехла. Отсутствие скважин бурения вблизи района исследований не позволяет точно определить время формирования вышеописанных объектов. Судя по редким землетрясениям, часть структур формируется в настоящий момент, однако основная часть была сформирована в плейстоцен-четвертичное время, о чем свидетельствуют нарушения горизонтального залегания самых верхних горизонтов осадочного чехла. Пликативные деформации были установлены и в районах отсутствия диапиров.
Для создания целостной картины геологического и геоморфологического строения Центральной Атлантики - намечены работы в районе разлома Сьерра-Леоне и в котловине Зеленого Мыса (рис.1).

Polygons of the cruise

Объект 1 - полигон Сьерра-Леоне. (рис 2) располагается на границе двух крупных сегментов САХ и его съемка позволяла бы практически сомкнуть полигоны 6-го, 7-го, 11-го, 12-го и 9-го рейсов нис “Академик Николай

Polygon 2 after Sandwell (1997) and quake events

Страхов”.
В районе исследования не проводилсь, за исключением трех драгировок середины 70-х годов. Спутниковая альтиметрия показывает, что в предполагаемом районе исследований располагаются рифтовая долина субмеридионального простирания, которая при приближении к разлому Сьерра-Леоне меняет свою ориентацию. Отчетливо прослеживаются подвороты структур западнее рифта. Севернее “устья” долины, ортогонально к ее простиранию прослеживается система субширотных хребтов. Важным представляется понимание строения региона, который находится на границе двух крупных сегментов САХ. Помимо этого, в районе отмечается отсутствие эпицентров землетрясений и подход к этому району протяженных трогов. В подобных зонах сосредоточены все известные гидротермальные поля в пределах САХ (Мазарович, Соколов, 1998). Оборудование судна не позволяет произвести целенаправленный поиск этих объектов, вместе с тем, данные драгировок могут дать информацию о степени изменения пород рифтовой зоны, которая отчетливо прослеживается в пределах полигона. Предполагалось покрытие полигона съемкой с последующим драгированием.
Объект 2 – зона конвергенции пассивных частей трансформных разломов в котловине Зеленого Мыса
В районе расположенном северо-западнее возвышенности Сьерра-Леоне, имеется азимутальное несогласие между пассивными частями разломов Зеленого Мыса и более южными, которое хорошо просматривалось на батиметрических (Jones, 1987) и гравитационных картах (Gahagan et al., 1988). Данные спутниковой альтиметрии (Sandwell Smith, 1997) показывают (см.рис.1), что разломы не доходят до континентальной окраины Африки почти на 1000 км. Восточные фланги разломов Вима, Долдрамс и Вернадского утыкаются во фланги разломов Зеленого Мыса. Отмеченные особенности строения фланговых частей разломов в гравитационном поле свидетельствуют о наличии сложных процессов, приводящих к образованию наложенных структур и деформациям океанической коры. По данным НСП, полученным в 16 рейсе нис "Академик Николай Страхов", и данные глубоководного бурения (Lancelot et al...., 1977) показали, что в районе выявляется два этапа деформаций - палеогеновый и современный (Мазарович и др., 1997).
В рейсе намечалось провеление площадного картирования области (рис.3) несогласного сочленения разломов с целью определения ее структуры и распределения деформаций.

Polygon 1 after Sandwell (1997)

При следовании из района работ предполагалось проведение попутных геофизических исследований в Центральной Атлантике, которые будут включать в себя эхолотный промер и непрерывное сейсмическое профилирование. Основная задача, которая может быть решена - получение информации по отдельным профилям через пассивные части пересекаемых трансформных разломов. Анализ этого материала позволит определить масштабы движений в океанических котловинах.

КРАТКАЯ ИНФОРМАЦИЯ ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ РЕЛЬЕФА ДНА

СОСТАВ И ОБЯЗАННОСТИ ЧЛЕНОВ ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОЙ ГРУППЫ

1. Турко Н.Н. (ГИН РАН) – зам. начальника экспедиции, общее руководство съемкой, обработка данных, вахты при полигонных работах, написание отчета.
2. Добролюбова К.О. (ГИН РАН) - научный сотрудник, обработка данных.
3. Мазарович А.О. (ГИН РАН) - научный сотрудник, общее планирование работ, обработка данных, вахты при полигонных работах, написание отчета.
4. Сколотнев С.Г. (ГИН РАН) – нач. геологического отряда, вахты
5. Пейве А.А. (ГИН РАН) – начальник экспедиции, вахты
6. Разницин Ю.Н. (ГИН РАН) – научный сотрудник, вахты
7. Карлуччио С. (ИГМ) – научный сотрудник, вахты
8. Пенитенти Д. (ИГМ) – научный сотрудник, программное обслуживание эхолота, вахты
9. Чиприани А. (ИГМ) – научный сотрудник, вахты
10. Лиджи М. (ИГМ) – руководитель итальянской группы программное и техническое обслуживание эхолота, консалтинг, обработка данных

ЭХОЛОТ

Эхолотный промер дна осуществлялся с применением многолучевого эхолота SIMRAD, который был установлен в 1998 году и модернизирован в 1999 г. В ходе рейса неоднократно проводились измерения скорости звука в воде.

ОБРАБОТКА ДАННЫХ

Обработка данных производилась пакетом программ НЕПТУН

Всего в 22 рейсе с многолучевым эхолотированием пройдено 11030 морских миль.

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ РЕЛЬЕФА КОТЛОВИНЫ ЗЕЛЕНОГО МЫСА.

Полигон (10°30’ - 12°12’ с.ш.; 27°20’ - 28°40’ з.д) изучен (рис.4) по системе 13 галсов.
Здесь отчетливо выделяются две зоны (северная и южная), разделенные протяженным уступом, который меняет свое простирание с субширотного на северо-западное в районе 28° з.д. Высота уступа изменяется от первых сотен до 1200 м.
Южнее уступа располагается глубоководная область, в которой закартированы части пяти желобов и хребтов широтного простирания. Их ширина составляет в среднем от 10 до 14 км. В некоторых местах происходит их сужение до 7 км. В восточной части полигона расположен глубоководный меандрирующий канал (см.рис 4).

Polygon 1 after eXpress multibeam processing

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ РАЙОНА РАЗЛОМА СЬЕРРА-ЛЕОНЕ.

В результате работы в течение недели впервые заснят участок САХ между 5°-7°20’ с.ш. и разлом 7°10N (рис.5). Съемка проводилась в два этапа. На первом был закартирован 9-ю галсами северо-западного
Polygon 2 after eXpress multibeam processing

Polygon 2 after eXpress multibeam processing

простирания и тремя широтными район между 5°50’-7°20’ с.ш. Ориентация галсов была выбрана для оптимального покрытия, т.к. заранее предполагалось, что полосы захвата будут изменяться от 5 до 11 км. На втором этапе картирование проводилось в южной части района 6-ю галсами северо-западного простирания и тремя широтными. При этом ставилась задача съемки района разворота основных структур и прослеживания рифтовой долины. Общая протяженность территории с северо-запада на юго-восток превышает 300 км с востока с юго-запада на северо-восток в среднем составляет порядка 65 км.
Разлом 7°10N был прослежен от 31° з.д. до 34°50’ з.д. (230 миль). В рельефе он представляет желоб, обрамленный с севера и юга поднятиями. Активная часть разлома имеет протяженность порядка 60 км. Она представляет собой желоб шириной 7-7,5 км, лишенный осадков. На востоке закартирована изометричная нодальная впадина, наиболее погруженные части которой расположены на глубинах более 5900 м.
Рифтовая долина, представляет собой 7 впадин различной конфигурации, которые разделены поперечными порогами различной ширины и высоты. С учетом работ в 12-ом рейсе (Экваториальный ... , 1997), представляется, что рифтовая зона САХ между разломами Страхова и 7°10N разделен на три крупных сегмента. Строение рифтовой зоны нарушено двумя крупными широтными зонами (6°50’ с.ш. и 6° - 6°20’ с.ш.).

КРАТКАЯ ИНФОРМАЦИЯ ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ ОСАДОЧНОГО ЧЕХЛА

СОСТАВ И ОБЯЗАННОСТИ ЧЛЕНОВ ОТРЯДА НСП

1. Ефимов В.Н. (ГИН РАН) - начальник отряда, общее руководство сейсмической съемкой, методика, теория и практика забортного оборудования.
2. Соколов С.Ю. (ГИН РАН) - научный сотрудник, компьютерное обеспечение сейсмической съемки и наладка регистрируемых данных, общие работы.
3. Чиликов А.М. (ГИН РАН) - инженер, забортное оборудование, источники сейсмических волн, общие работы.
4. Ерофеев С.А. (НГПИ) - техник, электронное оборудование, забортные линии, общие работы.

ОПИСАНИЕ БАЗОВЫХ КОМПОНЕНТ СИСТЕМЫ НСП

Съемка проводилась при скорости судна в среднем 10 узлов Погодные условия на протяжении всей экспедиции были благоприятными для качественного и безопасного проведения работ. Всего в 22 рейсе сейсмопрофилированием пройдено 5050 морских миль.

ИЗЛУЧЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Основной объем сейсмопрофилирования выполнен с пневмоизлучателем ПСК-75 с объемом камеры 0.5 л.

Общий вид ПСК-75

Буксировались 2 идентичных ПИ: один работающий, другой резервный с двух бортов судна с полностью автономной системой подачи сжатого воздуха и управления, что обеспечило практически полную непрерывность съемки.

Спуск ПСК-75

Глубина буксировки 4 - 5 м, среднее рабочее давление 60 атм. Расстояние от излучателей до кормы судна - 3 метра за кормой, расстояние между излучателями - 15 метров.
Период запуска излучателей составлял 10 сек., что составило интервал зондирования по профилю 50 м для скорости судна 10 узлов. Период определялся по средним глубинам в районе работ - 4500 - 5000 метров.

ПРИЕМ СИГНАЛОВ

Прием сигналов осуществлялся во время работ или на вакуумную косу с длиной приемной базы 25 метров на

Вакуумная коса конструкции В.Н.Ефимова

51 приемник ПДС-7 или на стандартную косу с заливкой датчиков жидким диэлектриком, приемной базой 25

Стандартная коса с жидким диэлектриком

метров на 51 приемник ПДС-21. Приемные системы замыкались согласующей трансформаторной секцией, далее следовала вакуумная амортизационная секция 10 метров. Сейсмическая коса буксировалась на кабель - тросе в 100-120 метрах от кормы судна.

АНАЛОГОВАЯ РЕГИСТРАЦИЯ СИГНАЛОВ

Сигнал с косы поступал на дифференциальный вход усилителя с согласующим трансформатором и коэффициентом усиления от 10 до 1000. Подбор фильтрации составлял 90 - 200 Гц для работы с вакуумной

Analog block of seismic station

Сейсмическая станция Лаборатории (слева)

косой и 60 - 500 Гц для работы со стандартной косой. Экспресс-визуализация велась на самописец Raytheon в 6-ти секундном окне, 100 линий на дюйм, время сканирования - 2 секунды.

Самописец Raytheon

ЦИФРОВАЯ РЕГИСТРАЦИЯ СИГНАЛОВ

Цифровая регистрация сигналов осуществлялась после аналоговой фильтрации на компьютер типа РС с процессором Pentium 100 MHz при помощи 12 разрядного АЦП с фиксированной точкой на ISA модуле L-154 производства ЗАО «Л-Кард» (Россия). При помощи модулей нулевого уровня опроса АЦП и регистров L-154, поставляемых с картой, была написана программа SEIS_01, осуществляющая регистрацию сигналов, запись их на жесткий диск компьютера (13 Gb) в виде целых двухбайтовых последовательностей, и визуализацию на дисплее. Объем записи в течение суток составлял 155 Мb. Во время остановок профилирования осуществлялся сброс файлов на лазерные компакт диски. Регистрация осуществлялась с частотой квантования 1 кГц в 9-ти секундном окне.

Цифровая регистрация сигналов

ОБЩАЯ СХЕМА РАБОТ НСП И СЕГМЕНТАЦИЯ СЪЕМКИ НА ПОЛИГОНЫ И ПРОФИЛИ

Сейсмическое профилирование в 22 рейсе НИС «Академик Николай Страхов» проводилось в несколько этапов, которые могут быть подразделены на следующие блоки (здесь и далее время указано по Гринвичу) (рис.)

Краткая информация о переходе возвышенность Сьерра-Леоне - граница экономической зоны Республики Кабо Верде (520 миль).

Переход от пассивных частей разлома Сан-Паулу был запланирован с целью прохождения зоны конвергенции пассивных частей трансформных разломов к северо-западу от возвышенности Сьерра-Леоне и цепочки гор Батиметристов. Аналогичное пересечение пассивных частей в меридианальном направлении, но вдоль 20° з.д. было проведено в 16-ом рейсе НИС «Академик Николай Страхов». Была пересечена граница двух транатлантических зон и провинции Островов Зеленого Мыса.

Краткая информация о переходе граница экономической зоны Республики Кабо Верде - полигон 1 (130 миль).

Подход к полигону определялся кратчайшим расстоянием до выхода из экономзоны Республики Кабо Верде. После нее подходной галс к полигону был заложен в начале вкрест простирания структур севернее несогласия («Изучение рельефа»), а затем, после поворота, – южнее. На широте 12°20’ с.ш. была пройдена граница между осадочной провинцией Островов Зеленого Мыса и океанической провинцией котловины Зеленого Мыса.

Краткая информация о работах на полигоне в котловине Зеленого Мыса (670 миль).

В пределах полигона было отработано 7 меридиональных и 6 широтных профилей. Осадочный чехол состоит из двух комплексов. Мощность комплексов может изменяться от 0 до 800 м, достигая суммарной максимальной мощности в 1500 м. В ряде мест отмечаются пликативные деформации.

Краткая информация о переходе полигон 1 - восточный фланг разлома 7°20’ с.ш. (190 миль).

Положение сейсмопрофиля планировалось на основании спутниковых альтиметрических данных. При этом было выбрано направление строго вкрест простирания многочисленных хребтов и желобов. Полученная сейсмическая информация о строении осадочного чехла вдоль 28°40’ з.д. от 7°50 до 10°30’ с.ш. свидельствует о том, что, хребты имеют разное строение и происхождение. В ряде мест осадочный чехол нарушен современными тактоническими движениями (рис.2.14.).

Краткая информация о переходе по трогу разломов 7°20’ с.ш. и 7°10’ с.ш. (440 миль).

Основной целью перехода являлось выяснение строения осадочного чехла вдоль простирания пассивных частей разломов. Эти исследования были дополнены двумя поперечными сейсмопрофилями. Первый из них (29°30’ з.д.) пересек не только разлом 7°20N, но и область перехода между двумя трансатлантическими зонами, второй (31° з.д.) – оба указанных выше разлома.
Разлом 7°20N выполнен однородной осадочной толщей с мощностью до 500 мс. Здесь установлен ряд поперечных нарушений, которые привели к формированию новейших форм рельефа - пологих асимметричных валов, островершинного поднятия.

Краткая информация о работах в районе разлома Сьерра-Леоне (180 миль).

В пределах полигона с НСП было пройдено два западных галса, которые показали практически полное отсутствие осадочного чехла. После этого аппаратура НСП была остановлена на профилактические работы.

Краткая информация о переходе к полигону 1 и дополнительная съемка (280 миль).

Переход от второго полигона был запланирован с целью прохождения зоны конвергенции пассивных частей трансформных разломов. В связи с изменением срока захода в Лас Пальмас были внесены изменения в программу и профиль был переориентирован на курс 50° В целом все закономерности строения осадочного чехла, описанные выше характерны и для данного сейсмопрофиля. Отметим, что качество записи ухудшилось в связи с аварией амортизационного отсека косы. Это привело к повышению уровня шумов. Для исправления ситуации была достигнута синхронизация работы пушек, что привело к увеличению мощности сигнала и, соответственно, улучшению качества записи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ О РАБОТАХ НСП

Работы НСП показли высокую эффективность метода для решения разнообразных тектонических задач. Вместе с тем, отметим, что установка многолучевого эхолота SIMRAD привела к снижению результативности сейсмических данных. Это обусловлено тем, что полоса облучения эхолота резко увеличила расстояние между профилями, что делает невозможным составление детальных карт строения АФ и строения осадочного чехла. Видимо, при проведении работ в наиболее важных узлах целесообразно увеличивать перекрытие галсов до 50-60%, что приведет к сближению сейсмических профилей.
В целом, отметим, что предварительный просмотр сейсмических данных свидетельствует о весьма широком развитии многофазных тектонических движений в изученном районе Атлантического океана. Окончательные выводы о масштабах этих явлений могут быть сделаны только после обработки всего массива сейсмических данных, имеющихся в регионе.