География

ИСЛАНДИЯ -ГЕОДИНАМИЧЕСКИЙ ФЕНОМЕН

В последние десятилетия состоялось несколько международных симпозиумов, посвященных проблемам эволюции, активной тектоники и строения острова Исландия. Чем вызван непрестанный интерес исследователей Земли к сравнительно небольшому участку суши, расположенному в Северной Атлантике на равном удалении от Старого и Нового Света?

ОБЛОМОК МАТЕРИКА? РЕЛИКТ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ "ПЕНЫ"? ВУЛКАНИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА?

В 1980 г. С. Стейнторссон и В. Якоби, редакторы международного научного журнала "Journal of Geophysics", где публиковались статьи по материалам очередного симпозиума, писали: "контраст между Исландией и прилегающей областью океана - важнейший вопрос в изучении коры и верхней мантии". Итак, с одной стороны, остров принадлежит к внутриокеаническим структурам. С другой - его геологическая история и строение настолько нетипичны для подобных сооружений, что ставят в тупик апологетов признанных геотектонических теорий.

Географически Исландия располагается на стыке двух срединных подводных хребтов - Рейкьянес с юга и Колбенсей с севера; это самые молодые океанические структуры с чрезвычайно тонкой земной корой. Многие ученые даже полагают, что Исландия - приподнятая над уровнем моря часть срединно- океанического хребта. Однако известные отечественные тектонисты член- корреспондент АН СССР В. В. Белоусов и академик Е. Е. Милановский считали иначе: "Экскурсируя по Исландии с геологическим молотком в руках, - писали они, - мы не ходим по тем базальтам, которые когда-то выстилали дно океана...".

Пожалуй, самое важное отличие острова от типичных океанических структур - значительная мощность его земной коры и существенная доля кислых магматических пород среди их интрузивных (затвердевших под землей) и эффузивных (излившихся на поверхность) разновидностей. Наличие здесь больших объемов контрастных по составу магматических пород - базальтов и риолитов, габбро и гранитоидов - привело почти 150 лет назад известного немецкого ученого, иностранного члена Российской академии наук Р. В. Бунзена к представлению о двух исходных магмах: основной и кислой. Долгое время господствовало мнение, что в земной коре острова должен находиться сиалический слой (главные его компоненты - Si и А1, отсюда и название), плавлением которого и можно объяснить значительную долю кислых по составу пород.

В начале XX в. шведский ученый Г. де Геер высказал предположение: Исландия представляет собой обломок континента, застрявший в водах Атлантики. И даже основоположник мобилистской концепции в геологии немецкий ученый А. Вегенер, считавший в начале XX в. этот остров подобным структуре растяжения океанического дна, позднее был вынужден рассматривать его как реликт континентальной "пены", оставшийся при отделении Гренландии от Европы. Уже тогда сложилось представление о его принадлежности к огромной вулканической стране, простирающейся от Шотландии до Гренландии и образованной излияниями плато-базальтов еще в третичное время (более 60 млн. лет назад).

Таким образом, Исландия оказалась тем оселком, на котором оттачивали свои аргументы сторонники различных геодинамических гипотез образования континентальных и океанических структур. Как показала практика последних десятилетии, сильные доводы в пользу тех или иных идей, господствующих в науках о Земле, дает изучение вещества - глубинных горных пород и минералов. Этим мне и пришлось заниматься в течение шести полевых сезонов (1986-1991 гг.) в Исландии в составе геолого-геофизической экспедиции АН СССР.

НАУЧНЫЙ ДЕСАНТ В ДЕЙСТВИИ

Экспедиция, организованная по инициативе В. В. Белоусова, была по существу четвертым десантом отечественных исследователей в Исландию. Результаты предыдущих морских и наземных работ были опубликованы в серии монографий под общим названием "Исландия и срединно-океанический хребет"; в них фактически обосновывались отличительные черты глубинного строения и магматизма острова. Данная же экспедиция под общим руководством члена- корреспондента АН СССР Л. Н. Рыкунова состояла из небольшого геологического отряда (А. А. Краснов, А. Я. Салтыковский и я) и более многочисленного - геофизического. Геофизики занимались сейсмическим экспериментом и в качестве источника упругих волн сначала использовали взрывы, а затем стали регистрировать сейсмические шумы, вызванные, главным образом, подземными гидротермами, которых в Исландии великое множество. Так они детально изучали тонкую структуру самых верхних частей земной коры, особенно в активных термальных районах.

Задача геологического отряда состояла прежде всего в поиске и сборе включений глубинных пород и минералов в вулканическом материале; в дальнейшем мы расширили исследования - отбирали образцы из интрузивных массивов.

Из предыдущего опыта полевых работ в областях внутриконтинентального молодого вулканизма, обусловленного развитием рифтовых структур (некий аналог срединных хребтов на континентах), мы знали: характерные для таких районов щелочные базальты обычно содержат минералы и породы, образованные в низах земной коры и верхах мантии. Это порода ультраосновного состава - перидотиты, пироксениты, иногда содержащие магнезиальный гранат - пироп, а также сильно метаморфизованные - гранулиты и эклогиты.

Из минералов часто встречаются так называемые "мегакристаллы высоких давлений" - крупные и однородные по составу высокоглиноземистые и низкокальциевые моноклинные пироксены, калинатровые полевые шпаты, высокотитанистые амфиболы - керсутиты, магнезиальные ильмениты и пр. А поскольку среди базальтов Исландии распространены и щелочные, мы надеялись найти во включениях разновидности, характеризующие вещество нижней коры и верхней мантии. Тогда можно было бы увереннее судить, на каком основании формировалась исландская геологическая структура - континентальном или океаническом.

К сожалению, в первый год пришлось пережить крупные неудачи и потери: буквально через две недели после начала работ наш маленький отряд попал в автомобильную катастрофу, от которой мы оправились лишь через месяц. А через неделю после этого в одном из первых полевых маршрутов скоропостижно скончался А. А. Краснов, участник нескольких предыдущих экспедиций в Исландию и активный организатор последней.

БОЛЬШЕ ВОПРОСОВ, ЧЕМ ОТВЕТОВ

Когда мы начинали работу, в науках о Земле существовало две сейсмические модели строения острова. И различались они не по положению глубинных границ и характеристикам выделенных слоев, как обычно бывает, а по их интерпретации. В результате сейсмических исследований вдоль профилей, пересекающих сам остров и прилегающую акваторию, в верхней части земных недр уверенно выделили четыре слоя с последовательным увеличением скоростей продольных волн в глубину примерно 2-7,4 км/с. Последняя величина совсем не характерна для нормальных пород верхней мантии и превышает обычную скорость в нижней земной коре.

Именно этот аномальный по сейсмическим параметрам четвертый слой и стал предметом споров и длительных дискуссий. Исландский геофизик Г. Паль-масон и другие западные ученые высказали предположение: он принадлежит самой верхней части мантии, где вещество частично расплавлено. На это указывал слой высокой электропроводности, расположенный примерно на таких же глубинах (10-20 км). Так в научной литературе появилась "классическая" модель земной коры Исландии: она состоит из трех слоев, а ее общая мощность не превышает 15 км.

Однако, согласно появившейся позднее "русской" модели, авторами которой являются сотрудники нашего института доктора физико-математических наук С. М. Зверев, Н. И. Павленкова (в создании ее участвовали и другие отечественные геофизики), земная кора здесь простирается вглубь, по крайней мере, на 30 км. К тому же, в этой модели аномальный четвертый слой тоже относится к земной коре.

Какое же из этих двух представлений правильно и удастся ли найти вещественные доказательства в пользу того или иного? - этими вопросами мы задавались, начиная полевые работы. Казалось, все накопленные к тому времени данные свидетельствуют в пользу маломощной земной коры ("классическая" модель). Ведь остров - поистине горячее пятно на Земле, один из уголков самого активного современного вулканизма. Исключительно высокие тепловые потоки, обеспечивающие температурный градиент вблизи поверхности до 160 С/км, указывают на возможный разогрев недр до 1200 С на глубинах около 15 км. А это уже обычная температура лав, при которой базальтовая магма выплавляется из перидотитового вещества мантии. Наконец, нигде в Исландии не найдено пород древнее 16 млн. лет, т.е. она действительно очень молодое геологическое образование. Это лучше всего согласуется с идеями о рождении острова на дне океана в пределах срединного хребта.

Но если бы все было так просто! Уже упомянутые С. Стейнторссон и В. Якоби писали: при изучении Исландии "со временем возникает больше вопросов, чем ответов", "она выглядит как случайное явление в природе". В самом деле, остров располагается не только на стыке двух подводных срединных хребтов, но и двух "мостов", соединяющих Европу и Гренландию: Исландско-Фарерского порога на востоке и Гренландско-Исландского - на западе. И российские геофизики показали: по своему строению Исландия очень похожа на эти континентальные "мосты".

Остров уникален и по распространенности типов магматических пород. Кроме кислых, здесь встречаются все основные их петрохимические разновидности - толеиты, щелочно-оливиновые и высокожелезистые базальты (или их переходный тип), известково-щелочные породы. По литературным данным было известно: для магматизма тут чрезвычайно характерны дифференциация расплавов путем кристаллизационного фракционирования (образования кристаллов на малой глубине) и смешение расплавов различного состава. И действительно, как показывают геофизические исследования, под исландскими вулканами (например, Геклой и Краблой) магматические очаги располагаются неглубоко - в пределах нескольких километров.

Самые древние миоценовые породы Исландии (около 25 млн. лет) выходят на поверхность на западе и востоке, а позднейшие четвертичные вулканиты сосредоточены в современной неовулканической зоне. По всем признакам остров представляет собой молодой наземный рифт, в котором господствуют субгоризонтальные растягивающие напряжения. В лавовых толщах они создают протяженные сбросовые разломы, наиболее эффектные в районе озера Тингвадлаватн, недалеко от Рейкьявика.

В одной из трещинных долин под обрывистыми базальтовыми стенками тысячу лет назад был основан исландский парламент - Альтинг; со скального выступа, где сейчас развивается национальный флаг, провозглашались первые законы страны. Не менее впечатляют и разорванные силами растяжения базальтовые напластования на севере острова - в заповеднике Асбирги. Эти подковообразные стенки высотой около 100 м выглядят как гигантские суда, устремленные к океану.

В приподнятых восточной и западной частях острова третичные базальтовые покровы рассечены интрузивными жилами и массивами. В последних запечатлены следы магматического смешения и практически одновременного внедрения двух контрастных по составу магм - базальтовой и гранитной. Яркие картины этих процессов можно наблюдать в наиболее, пожалуй, известных и изученных интрузивных массивах на восточном побережье Исландии - Вестюрхорн и Айстюрхорн.

СТРАНА ВУЛКАНОВ И ГЕЙЗЕРОВ

Опираясь на опыт предыдущих поисков глубинных включений, мы в первую очередь обратили внимание на вулканические центры, чьи лавы и шлаки по химическому составу относятся к щелочным базальтам. Это молодые шлаковые конусы и лавовые потоки на западе (полуостров Снайфедльснес) и на юге, на островах Вестманнаэйяр и Сюртсей. Последний является самой молодой сушей, образовавшейся в результате подводных извержений 1963-1967 гг. Свое название остров получил в честь героя норвежской мифологии Сюртура; по преданию, в судный день он должен зажечь огонь на Земле. Сейчас на Сюртсее заповедник, так что посещение острова практически запрещено.

Вообще Исландия славится своими вулканическими событиями. Самое крупное на Земле трещинное лавовое извержение произошло здесь в конце XVIII в., когда на поверхность излилось примерно 12 км 3 лавы, покрывшей около 600 км 2 . Последствия были ужасающими: мощные выделения сернистого газа погубили в округе не только весь урожай, но и растительный покров. Из-за массового падежа скота от голода погибла пятая часть населения острова. В 1973 г. при извержении на острове Хэймаэй был засыпан пеплом городок Вестманнаэйяр. Но все его население успели эвакуировать, а позднее он был полностью очищен от вулканических продуктов. О произошедшей здесь катастрофе ныне напоминает застывший лавовый поток, дошедший до границы города, а памятником этому событию служит полуразрушенный дом на краю потока.

В Исландии периодически происходят и грандиозные подледные извержения активного вулкана Гримсветн в северо-западной части крупнейшего европейского ледника Ватнайекюдль; последнее случилось осенью 1996 г.

Благодаря активной гидротермальной деятельности Исландия считается классической страной гейзеров. Здесь расположен грандиознейший на Земле фонтанирующий источник горячей воды - Большой Гейзер (правда, теперь его приходится активизировать с помощью... жидкого мыла - природная энергия источника практически иссякла. Зато очень впечатляют оглушительные выбросы воды и водяного пара его младшего спутника Строккура, повторяющиеся каждые пять минут).

Говоря о природных феноменах острова, нельзя не упомянуть самый мощный в Европе водопад Деттифосс, расположенный в лавовом ущелье неовулканической зоны. А вблизи вулкана Гекла находится высочайший местный водопад - Хауифосс, низвергающийся вдоль 122-метровой обрывистой стенки, образованной лавовыми и шлаковыми отложениями многовековых извержений...

Однако вернемся к экспедиционным работам. К нашему удивлению, однотипные включения пород и минералов мы обнаружили как в щелочно-базальтовых вулканах, так и в толеитах, для которых кристаллические включения не характерны. И не нашли никаких ультраосновных пород и минералов верхней мантии. Зато в изобилии встречались включения разнообразных габброидов (гранофиров) и крупные кристаллы кальциевого плагиоклаза, черного пироксена, оливина. Фактически состав найденных минералов и пород почти полностью соответствовал вкраплениям в лавах.

Исландские коллеги удивлялись, почему мы не находим мантийных включений. Поначалу нас самих это озадачивало, но потом стало ясно: причина - в особенностях местного магматизма и извержений. Как уже говорилось, магматические очаги практически под всеми вулканами располагаются неглубоко в земной коре. Кроме того, здешним лавам не свойственна насыщенность газами, и, по-видимому, вся кора заполнена дайками и интрузиями, образованными при спокойном внедрении магматического расплава в ее верхние этажи. Сочетание этих условий никак не способствует выносу на поверхность глубинных пород из верхней мантии или самых нижних горизонтов земной коры.

Сходство минералов включений и пород интрузивных массивов натолкнуло нас на изучение распространенности в Исландии интрузивных образований, и мы тщательно стали отбирать образцы таких пород. Кроме уже известных и закартированных выходов таких массивов на поверхность в различных частях острова, мы обнаружили много габброидной гальки в аллювиальных и русловых отложениях. Это и привело нас к мысли о повсеместном распространении интрузий и их важной роли в строении и составе земной коры этого региона.

ЗЕМНАЯ КОРА -ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫЙ ПИРОГ

Собранная в экспедиции большая коллекция включений в вулканитах и образцов из интрузивных массивов была тщательно изучена в нашем институте и геологических институтах Баку и Еревана. В результате удалось получить целый комплекс минералого-геохимических и петрофизических характеристик исландских пород, которые мы потом сопоставили с известными нам геолого- геофизическими данными. Прежде всего, собранные образцы разбили на семь групп. Впрочем, самыми важными оказались для нас три - амфиболизированные габбро и габбронориты, рудные габбро и долериты, кумулятивные включения, образованные при кристаллизации и "слипании" минералов в магматическом очаге.

Изучение электрических свойств образцов показало: в недрах Исландии не существует сколь-нибудь протяженного и мощного слоя пород кислого состава, т.е. упоминавшийся сиалический слой в современной земной коре там, по-видимому, отсутствует. Температура в третьем слое земной коры в среднем составляет 600-800С. Эта оценка чрезвычайно важна для суждения о составе четвертого слоя, с которым и связаны расхождения двух моделей глубинного строения острова - "классической" и "русской". Если температура в нем равна или превышает 1200С, его не могут складывать базальтовые породы (габбро) - они бы полностью расплавились. И тогда почти определенно можно утверждать: четвертый слой относится к верхам мантии. Впрочем, согласно нашим оценкам, для него характерны значительно более низкие температуры и потому там могут существовать твердые габброиды.

Изучение упруго-плотностных свойств собранных образцов тоже привело к интересным выводам. Эти данные подтвердили гипотезу о существенно интрузивной природе глубоких горизонтов земной коры Исландии.

В середине 90-х годов, после завершения наших экспедиционных работ, в западной научной периодике появились публикации с новыми сейсмическими данными, подтверждающими "русскую" модель строения земной коры Исландии. И что удивительно, среди их авторов был ярый прежде сторонник "классической" модели, исландский геофизик О. Фловенц. Эти данные свидетельствовали о "холодной" (по сравнению со старыми оценками глубинных температур) земной коре, на ее нижней границе в третьем слое температура не превышает 900С. В глубинах четвертого слоя существует сейсмическая отражающая граница на уровне около 25 км, под ней скорости упругих волн доходят до 7,7 км/с.

Что же касается петролого-геохимии было показано: кислые расплавы, так широко распространенные в Исландии, скорее всего образуются при подплавлении габброидов в пределах земной коры. Следовательно, на эволюцию ее состава и строения определяющее влияние должен оказывать ряд процессов - мантийный магматизм (с накоплением толщ интрузивных и излившихся горных пород), образование вблизи поверхности промежуточных магматических очагов (в них происходит дифференциация магмы путем фракционной кристаллизации различных минералов), а также переплавление базальтовой коры на разных глубинах.

МАНТИЙНЫЙ ПЛЮМ ПОД ОСТРОВОМ

Магматические породы Исландии существенно отличаются от формирующих срединно-океанические хребты. Это особенно видно при сравнении изотопного состава тех и других. Вулканиты острова характеризуются повышенными значениями отношений изотопов стронция, свинца и пониженными - неодима, по сравнению с толеитами близлежащих океанических хребтов. Породы Исландии, в отличие от последних, обогащены стронцием, легкими редкоземельными элементами (лантаном, самарием), радиоактивными рубидием, торием, ураном. Эти отличия специалисты объясняют тем, что на магматические источники верхней мантии здесь сильно влияют "плюмы" - поднимающиеся из недр планеты (возможно, от земного ядра) горячие потоки вещества (его состав иной, чем у древней, обедненной базальтоидны-ми компонентами мантии). В последнее время плюмы получили геофизическое подтверждение: методом сейсмической томографии в верхней мантии удалось обнаружить столбообразные участки, где скорости упругих волн понижены. Согласно оценкам, вещество плюма должно быть на 150-300 С горячее материала окружающей мантии.

Сейчас появилось много публикаций, с точки зрения геофизики и геохимии обосновывающих существование исландского плюма. Зародился он, вероятно, около 65 млн. лет назад в Северной Атлантике и оказал решающее влияние на тектоническую и геологическую историю этого региона. Скорее всего, плюм асимметричен в разрезе, к северу от Исландии круто обрывается в сторону океана, не вступая во взаимодействие с породами срединно-океанического хребта Колбенсей. В интервале глубин 150-400 км под Центральной Исландией, как показала сейсмическая томография, действительно существует структура диаметром около 75 км с четкими боковыми границами. О влиянии ее на окружающую мантию говорит возрастающее вдоль хребта Рейкьянес в сторону острова содержание многих элементов в породах, в том числе калия, ниобия, циркония, стронция.

Всегда ли в геологической истории этого региона мантийный плюм оказывал одинаковое влияние? Простейшие петрохимические диаграммы уже наводят на мысль о различиях в глубинных условиях магмогенеза под Исландией в третичное и четвертичное время. На ранних этапах ее формирования условия удивительно схожи с установившимися для внутриконтинентальных структур. Наша коллега А. В. Шолпо показала, что габброиды из различных тектонических структур Земли - складчатых поясов, древних континентальных структур, островодужных систем, океанического дна - имеют свое петрохимическое "лицо", т.е. их состав можно использовать для палеотектонической идентификации изучаемых структур. В применении к породам Исландии этот метод позволил установить определенную этапность тектонической истории острова.

Когда совместно с А. Я. Салтыковским и сотрудницей Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова Н. А. Титаевой мы обобщили литературные изотопные и геохимические данные, то оказалось: за последние 16 млн. лет природа глубинных источников магм под Исландией существенно менялась. Вначале это был обогащенный радиоактивными редкими элементами мантийный резервуар, характерный для континентальных структур. Затем магматическую активность приобрел мантийный источник, типичный для срединно-океанических хребтов, и уже на последнем этапе влияние на состав мантийного источника базальтов Исландии и хребта Рейкьянес оказало вещество плюма.

УРОКИ ИСЛАНДИИ

Полученные в экспедиции данные отчетливо показали:

простые схемы эволюции земной коры, подобные "чистому" спредингу (растяжению океанического дна) не позволяют многое понять и объяснить в этом регионе. Схемы нужно "усложнить": в рассмотрение эндогенных глубинных процессов необходимо включать взаимодействие разноглубинных оболочек планеты, выделять разные этапы и стадии тектогенеза. На материале Исландии мы показали: присущие этой современной геологической структуре процессы характерны и для далекого прошлого Земли.

Тренды изменения состава магм при фракционной кристаллизации, выявленные впервые именно в Исландии, можно проследить и у докембрийских метаморфических пород древних щитов в других регионах - Анабарского и Алданского на Сибирской платформе, Воронежского на Восточно-Европейской и др. При этом кумулятивные породы (образованные за счет кристаллизующихся в магме минералов) оказались практически немагнитны: намагниченными являются сформировавшиеся при остывании остаточных расплавов. Эта закономерность, выявленная впервые для исландских интрузивных пород, прекрасно воспроизводится и для чрезвычайно древних континентальных комплексов.

Таким образом, Исландия сыграла роль полигона для проверки и развития различных геодинамических концепций. И неудивительно, что здесь регулярно стали проводить сложные комплексные изыскания большие научные коллективы, в том числе международные. Эти исследования существенно изменили представления о глубинной структуре острова, и надо думать, Исландия преподнесет еще немало сюрпризов.


Доктор физико-математических наук Ю.С.ГЕНШАФТ, Объединенный институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD