Тектоническое погружение предкавказских краевых прогибов в кайнозое

Методика расчета тектонической компоненты погружения осадочного бассейна.

Погружение фундамента осадочного бассейна является результатом действия двух факторов:

1) термомеханические процессы в земной коре, литосфере в целом или подлитосферной мантии (эндогенный фактор);

2) нагрузка накапливающихся толщ осадочного чехла (экзогенный фактор).

Общим погружением S ("total subsidence" в англоязычной литературе) данной геологической границы называется ее глубина относительно современного уровня Мирового океана (рис. 2). Эта величина слагается из двух компонент: 1) тектоническое погружение S_t ("tectonic subsidence") - компонента, вызванная действием эндогенных сил; 2) изостатическая компонента S_i, обусловленная весом накапливающихся осадочных толщ, так что S_t = S - S_i.

Backstripping-анализ - это техника восстановления истории погружения осадочного бассейна на основе геохронологической шкалы, с учетом уплотнения пород с глубиной, изменения палеоглубин, колебаний уровня моря, с определением изостатической и тектонической компонент погружения.

При расчетах тектонического погружения принята модель локальной изостазии (Cloetingh, Kooi, 1990 и др.), которая предполагает, что изостатическая компенсация любого вертикального разреза литосферы происходит независимо от других, т. е. литосфера представляется как совокупность блоков, каждый из которых изостатически компенсируется отдельно от соседних. Таким образом, для выделения тектонической компоненты проводится расчет общего погружения с учетом уплотнения пород, колебаний уровня моря и глубины бассейна, и из полученного значения вычитается величина проседания под действием веса осадочной толщи и воды:

где S_t - тектоническое погружение, в м, H - мощность отложений, исправленная за уплотнение ("разуплотненная" мощность), в м, ρ_s - средняя объемная плотность отложений в г/см³, ρ_a - плотность астеносферы в г/см³ (принята равной 3,33 г/см³), ρ_w - плотность морской воды в г/см³ (принята равной 1,03 г/см³), L - превышение (альтитуда) уровня моря относительно его современного положения, в м, D - глубина бассейна, на которой отлагался слой, в м (см. рис. 2).

Основное содержание backstripping-методики - построение и анализ графиков изменений во времени S и S_t - кривых общего и тектонического погружения, соответственно, - для какойлибо геологической границы, например, поверхности кристаллического фундамента бассейна, но обычно для основания анализируемого разреза (рис. 3).

В качестве временной шкалы принята геохронологическая шкала Ф. Градстейна с соавторами (Gradstein et al., 2004), с учетом радиометрических датировок верхнекайнозойских отложений Паратетиса по (Чумаков и др., 1992; Чумаков, 1993).

Для кайнозойских бассейнов расчет упрощается предположением, что пористости осадочных слоев уменьшаются по мере захоронения исключительно путем уплотнения в результате механических процессов и/или растворения под давлением с осаждением всего растворенного материала в поровом пространстве. По мере уменьшения пористости происходит уменьшение мощности и увеличение объемной плотности слоя. Законы уменьшения пористости с глубиной для пород разного состава взяты из опубликованных работ (Стетюха, 1964; Sclater, Christie, 1980 и др.).

Для учета колебаний уровня моря была использована эвстатическая кривая, построенная Б. Хаком с соавторами (Haq et al., 1987).

Наиболее трудной задачей было определение глубины осадконакопления для каждого выделенного стратиграфического подразделения. Для этого были использованы опубликованные палеогеографические реконструкции. Поскольку невозможно оценить глубину бассейна на протяжении всей его истории, а только для отдельных моментов, проводилась интерполяция альтитуды дна бассейна (Ершов, 1997).

Расчеты проведены по оригинальной компьютерной программе, реализующей алгоритм backstripping-процедуры в соответствии со всеми принципами этой методики (Stam et al., 1987; Allen, Allen, 1990; Ершов, 1997 и др.).

Кривая тектонического погружения показывает, как погружался бы фундамент, если бы в бассейне отсутствовало осадконакопление. Использование тектонической компоненты погружения обеспечивает сопоставимость результатов, полученных для разных бассейнов, так как исключает различия, связанные с литологией, мощностями отложений, палеогеографическими обстановками, положением уровня моря, и акцентирует внимание только на тектонических причинах погружения. Результаты backstripping-анализа могут быть использованы совместно с математическими и тектонофизическими моделями осадочных бассейнов для выявления механизмов, контролирующих погружение.

Расчеты показывают, что в среднем примерно 70 % общего погружения обусловлено нагрузкой мощных осадочных толщ (см. рис. 3), и только около 30 % составляет тектоническая компонента (следствие действия термомеханических процессов в фундаменте Скифской плиты, подкоровой литосфере и астеносфере). Таким образом, прогибы Предкавказья в значительной мере "экзогенные".

Проанализированные разрезы имеют различную детальность расчленения. Для всех разрезов backstripping-анализ был проведен с максимально возможной детальностью, но для анализа скоростей тектонического погружения по площади и времени было проведено осреднение тектонических скоростей по следующим временным интервалам, выделяемым в подавляющем большинстве разрезов: позднемеловая эпоха - датский век, зеландский - танетский века, эоцен, олигоцен - ранний миоцен (майкопское время), тарханско-конкское время, сарматский век, мэотический - понтский века, киммерийский век, акчагыльский век и апшеронское время (которое относится к четвертичному периоду (Стратиграфический кодекс, 1992)): R = (S_tⁱ⁺¹ - S_tⁱ) / (tⁱ - tⁱ⁺¹), где S_tⁱ⁺¹ и S_tⁱ - тектоническое погружение, соответствующее моментам времени tⁱ⁺¹ и tⁱ.

Пространственно-временной анализ распределения скоростей тектонического погружения проведен для подошвы верхнего мела.