Открытие нового тектонического пояса на Балтийском щите

А. А. Островский

Так выпьем же за наших учителей!

Тост Петра I в честь пленных шведских
генералов после победы русских под Полтавой

В данной статье приводится редкий пример того, как тщательный анализ уже опубликованных и проинтерпретированных данных может привести к открытию ранее неизвестного геотектонического объекта, пропущенного предыдущими исследователями.

Речь пойдет о применении метода глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ), который представляет собой акустическое просвечивание верхних слоев Земли, отдаленно напоминая рентгеновское обследование. Обычно начальный этап глубинного сейсмического зондирования включает расстановку вдоль линейного профиля регистрирующих устройств (донных или сухопутных сейсмографов) и последующее проведение вдоль профиля зондирований (взрывов или пневмоизлучений). Цель исследований - получение моделей распределения скоростей распространения упругих (сейсмических) волн в литосфере Земли (верхней твердой оболочке, подстилаемой слегка расплавленными глубинными породами). Сейсмические модели - основа для геотектонических построений, показывающих, как сформировались те или иные геологические структуры в земной коре и на поверхности Земли. Такие построения необходимы для регионального прогноза месторождений полезных ископаемых. Несмотря на то, что ГСЗ является фундаментальным исследованием, конечная его цель - практический интерес. Однако, планируя сейсмический эксперимент в Балтийском море, мы не ставили перед собой столь далекие цели. Главной задачей тогда было испытание нового советского чуда техники - самого большого в мире сейсмического пневмоисточника (ПИ) объемом 120 л. Пневмоисточник представлял собой массивную цилиндрическую железную конструкцию высотой с человеческий рост и весом в одну тонну.

Оглядываясь назад, в 1989 г., приходится удивляться, как много совпадений и простого везения позволили выполнить все планируемые работы. Начать с того, что экспедиция вообще могла не состояться, так как в то время заканчивался период устойчивого бюджетного финансирования Института океанологии Академии наук и все висело на волоске. Удачно вышло, что предполагаемое сотрудничество с финскими сейсмологами помешало другим желающим перехватить судно (научно-исследовательское судно "Профессор Штокман"). Повезло и в том, что предприятие[1] , изготовившее гигантский пневмоисточник, согласилось бесплатно предоставить его для испытаний и т.д.

Практическая же фаза проекта началась с того момента, когда не любивший командовать автор был назначен начальником экспедиции Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН (23-й рейс НИС "Профессор Штокман") и принялся ломать голову над тем, как эффективнее испытать чудо техники. Район Балтийского моря отличается глубоким (40-50 км) залеганием одной из главных сейсмических границ Земли, отделяющей кору от верхней мантии, - границы Мохоровичича (Мохо). Эта граница была достойной целью для новой пневмопушки, к тому же, как и на других окраинных морях России, на Балтике существует экологический запрет на использование химических взрывов. Все это и предопределило решение о выборе района работ.

В то время еще не было известно, что литосфера под Балтикой позволяет регистрировать сигналы ПИ на расстояниях в сотни километров, и основное время экспедиции предполагалось потратить на эксперименты по накоплению сейсмических сигналов, когда записи пневмоизлучений, проводимых в одной точке, суммируются для повышения дальности регистрации. Лишь в конце экспедиции планировался короткий профиль ГСЗ.

Подготовка экспедиции шла хорошо. Смущало только одно - финские коллеги не откликались на настойчивые предложения о совместном проведении эксперимента. Все прояснилось уже после начала рейса, при заходе в порт Хельсинки, когда расслабленные во время приема на судне финские ученые сообщили мне, что через два месяца на Балтике состоится большая западноевропейская экспедиция с похожими, но гораздо более широкими целями и возможностями. Экспедиция планировалась на одном из самых современных и дорогостоящих специальных сейсморазведочных судов "Минтроп". Проект назывался БЭЙБЛ, что в развернутом и переведенном с английского языка виде означает "Эхо от литосферы на Балтике и под Ботническим заливом" [1, 2]. Осторожные финны, сами участвуя в этом проекте, по-видимому, искренне предполагали, что наша экспедиция есть попытка перехватить инициативу у Запада (что-то вроде доставки грунта с Луны перед высадкой туда человека), и поэтому опасались идти на более тесное сотрудничество (о чем впоследствии жалели). Итак, неожиданно для меня, ничего не знавшего до того момента о проекте БЭЙБЛ, возникла некая ситуация конкуренции. К тому времени первые пробные записи сигналов нового ПИ уже продемонстрировали возможность регистрации одиночных (без накопления) пневмоизлучений на рекордных для моря расстояниях, превышающих 100 км. В связи с тем, что отступать было некуда, а пневмопушка работала исправно, было решено несколько изменить план экспедиции и бросить все ее скромные силы на максимально длинный профиль ГСЗ, идущий от Калининградской области до территориальных вод Финляндии. Я срочно придумал и название профиля - Балтийское море (рис.1). Впоследствии оказалось, что в проекте БЭЙБЛ также был запланирован подобный (параллельный нашему) профиль (профиль БЭЙБЛ-В).

Рис.1. Профили ГСЗ в регионе, прилегающем к Балтийскому морю

Надо сказать, что силы были неравные. Проект БЭЙБЛ стоил в 50-100 раз дороже нашего, так как использовал самую современную нефтеразведочную (инженерную и компьютерную) технологию. В этом проекте участвовали сотрудники 12 ведущих геофизических институтов и организаций Англии, Германии, Дании, Финляндии, Швеции и множество студентов, обслуживавших наземные пункты регистрации, расположенные по берегам Балтики и на островах. У нас же было лишь три донных сейсмографа (ДС), пневмоисточник (питаемый маломощным судовым компрессором) и всего по два комплекта батарей на каждый прибор. Тем не менее у нас были и преимущества. Первое - избыток (дешевого тогда) судового времени, второе - возможность применения донных сейсмографов, позволяющая произвольно выбирать местоположение точек регистрации (мы могли получать данные в недоступных для сухопутных приемников местах). Так вот и появился профиль Балтийское море [3, 4]. В связи с малым количеством сейсмографов он был прострелян дважды (немыслимая для Запада роскошь) при двух их различных расстановках (профили Балтийское море-1 и Балтийское море-2). Из-за малой мощности компрессора, не успевавшего накачивать ПИ, пневмоизлучения производились лишь один раз в 8 минут. По той же причине судно на профиле должно было двигаться с минимально возможной скоростью, что создавало массу трудностей для штурманов. Во время недельной работы на профиле мощные подводные пневмоизлучения (рис.2) привлекли к экспедиции международное внимание. Каждый день нас проведывали истребители шведских ВВС. Изредка прилетали и самолеты военно-морской разведки Германии.

Рис.2. След пневмоизлучения на поверхности моря

Обработка и интерпретация данных

Итак, пять из шести постановок сейсмографов принесли результат. Забегая вперед, надо сказать, что благодаря тщательной работе наших инженеров записи донных сейсмографов (первичные материалы) по качеству оказались не хуже записей аналогичных западных сухопутных приборов. Во время экспедиции были достигнуты рекордные дальности регистрации пневмоизлучений и впервые на Балтике получены отражения сигналов ПИ от сейсмических границ, залегающих на глубинах 45 и 60 км.

Далее предстоял длительный процесс обработки полученных данных, когда без современных компьютеров не обойтись. Для того чтобы привлечь внимание западных коллег к результатам профиля Балтийское море, нужно было хотя бы что-то обработать дома. Ввиду осложнения ситуации в науке и отсутствия помощников я остался с материалами один на один. За три месяца удалось получить первый сейсмический монтаж (вывести часть записей пневмоизлучений на бумаге). После этого я написал руководителям проекта БЭЙБЛ о том, что впервые (на два месяца раньше их) получены отражения сигналов ПИ от Мохо на Балтике (доставлен на Землю лунный грунт). Это, по-видимому, произвело небольшой переполох, так как к приоритету на Западе относятся серьезно. Мне предложили сделать доклад о полученных результатах на научной конференции в Копенгагене (апрель 1990 г.), где отчет о проекте БЭЙБЛ должен был произвести главный фурор. Так и случилось. Мой доклад смотрелся лишь как очень скромное приложение к впечатляющим результатам европейского проекта. Успокоившиеся западные коллеги предложили поддержать меня в конкурсе на получение гранта для обработки данных в Германии.

После возвращения домой началась предобработка первичных материалов. На медленных компьютерах лаборатории такая процедура заняла один год. Запомнилось одно потрясение: в разгар работ у меня из автомобиля был похищен "дипломат", где, среди прочего, был бортовой журнал экспедиции. Это, однако, лишь задержало, но не остановило проект.

Последующая работа с данными проводилась в Германии, в Центре морских геоисследований в г. Киле. За 18 месяцев интенсивной работы была произведена обработка и интерпретация всех имеющихся по профилю Балтийское море материалов. Эти результаты и полученная сейсмическая модель были опубликованы вскоре после моего возвращения в Москву в 1993 г. [5]. Здесь важно отметить, что соавтор с немецкой стороны (помогавший получить стипендию) в последний момент предложил изменить модель и убрать выявленные ступени Мохо, однако мне (уже вернувшемуся домой) удалось отстоять ее. Соавтор с финской стороны, существенно помогавший на этапе предобработки данных, не возражал против предложенной в статье модели.

Итак, двумерное моделирование (подбор сейсмических скоростей в модели литосферы, удовлетворяющих экспериментальным данным) выявило примечательное свойство границы Мохо (М₁) под центральной Балтикой: в середине профиля она опускается, достигая глубины 45 км. По обе стороны от понижения выделяются 2-3 - километровые ступени и подъемы Мохо. Четкие отражения показали сейсмическую границу на глубине 60 км (М₂). Оказалось, что сейсмические скорости под границей Мохо меняются от 7.8 км/с в районе депрессии до 8.1 км/с по обе стороны от нее. Специальные тесты были проведены во время моделирования для проверки точности модели. Оценка точности положения границы М₁ по глубине составляла +1 км, по горизонтали - около 3 км.

Исследование формы сейсмической границы М2

В Москве после получения гранта МНФ была продолжена дальнейшая интерпретация данных профиля Балтийское море.

Еще в Германии, на записях сейсмостанций проекта БЭЙБЛ, я обнаружил вступления сейсмических волн, которые не были объяснены. В вышедшей к тому времени основной статье с результатами обработки данных профиля БЭЙБЛ-В [6] отмечалось, что ее авторы тоже кое-где заметили отмеченные вступления, но вынуждены были оставить их без интерпретации (а зря!). Кроме того, они утверждали, что удалось опровергнуть результат шведского профиля Феннолора о присутствии ступеней Мохо. Вот почему в Германии мне было предложено изменить полученную на профиле Балтийское море модель, имеющую аналогичные ступени. Однако главный сюрприз был еще впереди.

Рис.3. Сводная сейсмограмма ГСЗ и годографы, полученные в результате двумерного сейсмического моделирования границ М1 и М2 для точки регистрации ДС-4к профиля Балтийское море-1. Обозначения сейсмических фаз: Pm1P и PM2P - отражения P-волн отграниц М1 и М2 соответственно

На волновых полях профиля Балтийское море я также увидел не замеченные ранее вступления. Их удалось проинтерпретировать, как отражения сейсмических волн от обнаруженной ранее границы М₂, расположенной под Мохо на глубине 60 км от поверхности Земли (рис.3). Однако теперь все данные свидетельствовали в пользу того, что М₂ имеет форму дуги. Вступления, обнаруженные на записях профиля БЭЙБЛ-В, также хорошо объяснялись наличием изогнутой вверх границы М₂! Для подтверждения этого я набрался смелости и частично переинтерпретировал профиль БЭЙБЛ-В (рис.4). На записях сейсмического профилирования БЭЙБЛ-В [6], полученных одновременно с записями ГСЗ, я также заметил проявление дугообразной границы М₂.
Таким образом, моделирование сейсмической границы М₂ показало, что она в дугообразном виде существует под обоими морскими профилями. К моей радости подобная граница существовала и под сухопутным профилем Феннолора [7], пересекающим Швецию в северо-восточном направлении! Все три профиля указывали на существование некой неизвестной ранее зоны (или пояса), пересекающей Балтику в юго-восточном направлении. Она могла бы быть выявлена исследователями группы БЭЙБЛ уже по двум профилям (Феннолора и БЭЙБЛ-В) в случае, если бы они [6] не пытались опровергнуть данные интерпретации формы М₁ на профиле Феннолора и провели бы правильную интерпретацию границы М₂ на профиле БЭЙБЛ-В.

Рис.4. Сводная сейсмограмма ГСЗ и годографы, полученные в результате двумерного сейсмического моделирования границ М1 и М2 для точки регистрации OLS (звезда Оланда) профиля БЭЙБЛ-В. Обозначения те же, что на рис.3

Сразу же возник вопрос о природе новой зоны. Необходимо было предложить вариант, объясняющий ее происхождение. Похоже, что время ее формирования - протерозой (1-2 млрд лет назад), так как последний миллиард лет Балтийский щит сильно не менялся (оставался тектонически спокойным). Присутствие в зоне особых гранитов (рапакиви) позволяет оценить возраст ее образования более точно - 1.5 млрд лет назад.
Геометрическая форма выявленных границ (рис.5) подобна тем структурам, которые возникают в земной коре континентов при растяжении и образовании при этом линейных прогибов (рифтов). Вот почему первая мысль была о рифтовой природе новой зоны [8]. Такое растяжение могло быть одной из причин возникновения зон сжатия, обнаруженных недавно под Ботническим заливом [6] и в районе о. Борнхольм [9], тем более, что ось новой зоны параллельна этим зонам сжатия (рис.6). Смущало лишь то, что рифт образовался под покровом мощной геологической толщи в 45 км. Это было очень необычно и не могло не вызвать возражений. Тем не менее в качестве предварительного объяснения гипотеза годилась, и я решил доложить о выявленной зоне на конференции в Гамбурге в апреле 1995 г. Как и следовало ожидать, сенсационный характер доклада вызвал активный отклик аудитории. Она разделилась на две части. Первая группа (та, которая обрабатывала данные профиля БЭЙБЛ-В), поняв, что упустила прекрасную возможность выявить новый тектонический пояс, резко возражала. Среди возражений были очень полезные (основанные на здравых сомнениях) и бесполезные (основанные на эмоциях). Одна нервная дама выступила с противоречивым заявлением о том, что, во-первых, этого пояса не может быть, а во-вторых, что она и сама его недавно обнаружила. Другая часть аудитории сдержанно молчала (конкуренция!), но в фойе со мной стали чаще здороваться за руку, а представитель консорциума БИРПС, организовавшего проект БЭЙБЛ, пригласил участвовать в аналогичном эксперименте на Каспийском море.

Рис.5. Усовершенствованная сейсмическая модель литосферы на профиле Балтийское море (а) и схема зны рифтообразования континентального типа (б). Геометрическое подобие сейсмических границ на модели и на схеме показано одинаковой штриховкой соответствующих слоев

Рис.6. Профили Балтийское море, БЭЙБЛ-В, Феннолора, местоположение выявленной под центром Балтики границы М2 и зон сжатия под Ботническим заливом и в районе о.Борнхольм. Цифрами обозначены: 1 - профиль Балтийское море и граница М2; 2 - профиль БЭЙБЛ-В и гранийа М2; 3 - профиль Феннолора и граница М2; 4 - Ладожско-Ботническая зона; 5 - зона Торнквиста; 6 - профили проекта БЭЙЬЛ в Ботническом заливе; 7 - изолинии глубин погружающихся слоев литосферы в зоне субдукции под Ботническим заливом; 8 - профили проекта TTZ и направление зоны сжатия

Тектоническая интерпретация

Следующим этапом работ, финансируемых продолжающимся грантом МНФ, было закрепление на завоеванных позициях и развитие полученных результатов. Идея уже была высказана, и возникла необходимость в активной рекламной кампании (приоритет дело серьезное). Я заявил свой доклад на всевозможных научных конференциях, где (опять же иногда с помощью МНФ) успешно расширял круг проинформированных коллег.

При этом нельзя было забывать и о научном развитии идеи. Дальнейший анализ местных геологических и геофизических данных (известных из публикаций) подтвердил присутствие выявленной зоны. Сначала, к немалому моему удовольствию, оказалось, что она проявляется и в локальной аномалии теплового потока [11]: местоположение новой тектонической зоны в точности соответствует изолиниям положительной аномалии теплового потока в центральной части Балтийского моря (рис.7).

Рис.7. Местоположение новой тектонической зоны под центром Балтики, тепловой поток и локальные геологические структуры

Потом оказалось, что эта тектоническая зона проявляется и в гравиметрических наблюдениях: форма изолиний гравитационного поля Земли в центральной Балтике повторяет форму депрессии Мохо [12].

Существование зоны хорошо согласуется и с геологическими данными (рис.7): наличием под поверхностью северо-восточной части центральной Балтики следов излияния гранитов рапакиви и многочисленных даек (застывших глубинных расплавов) на восточном побережье Швеции [13].

Азимут выявленного тектонического пояса совпал с выделенным направлением для всей Скандинавии, с азимутами других тектонических структур региона: зоны Торнквиста-Тейссейре, Ладожско-Ботнической зоны, Ландсортской впадины и некоторых глубинных и приповерхностных разломов в центре Балтики (рис.7). Это указывало на то, что обнаруженный пояс может быть одним из связующих звеньев для таких структур.

Тектоническая же интерпретация не получалась. Дело в том, что в обнаруженной зоне присутствуют не только черты растяжения (геометрия сейсмических границ, повышенный тепловой поток, дайки и интрузии гранитов рапакиви), но и черты сжатия (утолщение земной коры). Дискуссии после докладов привели к новому варианту интерпретации. Возможно, что зона - реликт древней континентальной окраины. В таких объектах наряду со сжатием присутствует и растяжение (задуговый рифтогенез). Действительно, выявленная тектоническая зона лежит несколько севернее района, где входит в Балтику Трансскандинавский магматический пояс (граница раздела внутри Свекофеннской геотектонической провинции). Эта граница рассматривается некоторыми исследователями как реликт древней континентальной окраины. Таким образом, черты сжатия, скорее всего, - следствие аккреционных процессов (задавливания коры в глубь Земли), а данные о структурах растяжения, по всей вероятности, выявили обычно существующий там задуговый рифтогенный процесс.

По ходу анализа уже имеющихся результатов возникли экзотические (и не доказанные пока) гипотезы о возможной связи новой зоны с Днепровско-Донецким палеорифтом. Действительно, нетрудно было заметить, что она лежит