ЗАГАДКИ НЕДР БАЙКАЛА
Иван КУЛАКОВ, кандидат геолого-минералогических наук,
Институт
геологии СО РАН.
Байкал -- жемчужина Сибири, место, которое привлекает туристов со
всего мира своей уникальной красотой. Но кроме того, проблемы,
связанные с этим озером, притягивают внимание ученых из различных
областей науки. Биологи, экологи, гидрологи, физики и, конечно,
геологи рассматривают это озеро, как уникальный природный объект.
Одна из ключевых загадок связана с механизмом образования
байкальской впадины. Этим вопросом занимаются множество
исследователей из различных научных центров, в том числе и за
рубежом, однако единого мнения на этот счет пока не существует.
Последние результаты, полученные с помощью метода сейсмической
томографии, в лаборатории геодинамики и палеомагнетизма Института
геологии СО РАН, позволили по-новому взглянуть на эту проблему и
предложить схему образования и эволюции Байкальского региона.
Результаты этой работы были представлены в докладе И.КУЛАКОВА
"Трехмерная структура коры и верней мантии под Байкальским
регионом до глубин 250 км по данным локальной и телесейсмической
томографии". Как и другие руководители молодежных проектов, он
выступил на втором майском заседании Объединенного ученого совета
наук о Земле СО РАН, которое посвящалось 275-летию Российской
академии наук. Доклады молодых ученых дополняли основную
юбилейную тематику заседания -- становление, развитие и
перспективы наук о Земле в Сибири.
* * *
Байкальский регион уникальный объект с точки зрения геодинамики.
Находясь вдали от крупных сочленений литосферных плит, этот
район, тем не менее, обнаруживает высокую тектоническую
активность. Из высокоточных геодезических наблюдений сегодня
достоверно известно, что кора в районе озера Байкал расходится в
разные стороны со скоростью 4--5 миллиметров в год. Впадина
Байкальского озера является продуктом этого процесса. Однако чем
вызвана эта активность посередине крупнейшего из континентов? На
этот счет существует несколько точек зрения. Прежде всего, это
концепция активного рифтинга. Согласно ей раздвижение коры в
районе озера Байкал связано с наличием огромной горячей капли --
диапира под земной корой, которая, поднявшись из мантийных недр
Земли, уперлась в подошву коры и стала растекаться под ней,
"распирая" вышележащие слои. В пользу этой гипотезы говорят
наблюдения гравитационного и теплового полей, а также некоторые
сейсмические данные.
Другая точка зрения, так называемого пассивного рифтинга,
связывает процесс растяжения земной коры со взаимодействием
литосферных плит и их фрагментов. Евроазиатский континент не
монолитен. Он состоит из множества больших и малых фрагментов,
"смороженных" друг с другом. Хотя консолидация этих кусков
произошла довольно давно, и, в целом, они представляют собой
спокойную систему, стоит их подтолкнуть, и они начинают,
буквально, "трещать по швам". Именно с этим связывают образование
байкальского рифта приверженцы пассивного механизма. Растяжение
земной коры могло быть обусловлено напряжением в литосфере,
вызванного столкновением плит на периферии континента. Это могла
быть, с одной стороны, плита Индостана, которая и по сей день
продолжает свое движение на север, заставляя "трещать" всю
Евразию, а другой стороны, Тихоокеанская плита, погружающаяся под
Азиатский континент на Дальнем востоке.
В пользу обоих концепций существует ряд серьезных доводов,
основанных на различных натурных наблюдениях. Так, например,
приверженцы активного рифтинга указывают на наличие высокого
теплового потока в Байкальской впадине, что, по их мнению вызвано
близостью горячего мантийного тела. Однако оппоненты парируют:
да, тепловой поток существует, однако он не настолько высок, как
должно было быть при наличии большого тела, способного раздвинуть
кору.
Сейсмическая томография -- это, пожалуй, единственный способ
заглянуть внутрь земли на большие глубины. В качестве источников
сейсмического сигнала используются землетрясения. Лучи,
проходящие сквозь Землю, накапливают информацию о
неоднородностях, встречающихся на их пути. Зарегистрировав
параметры множества таких лучей, возможно расшифровать эту
информацию с помощью метода, основанного на том же принципе, что
и томография, используемая, к примеру, в медицине для
просвечивания человеческих органов. Неоднородности сейсмических
скоростей позволяют судить о других физических параметрах. Так,
например, считается, что пониженные сейсмические скорости в
мантии связаны с более горячими областями. В коре сейсмические
аномалии обычно связывают с особенностями структуры и
вещественного состава.
Компьютерная революция, произошедшая в последние годы, позволила
реализовать сложнейшие алгоритмы, способные давать детальные
изображения земных недр. В этих условиях на первое место вышла
проблема исходных данных. Как бы ни совершенен был алгоритм, как
бы ни мощен был компьютер, если данные малочисленны и низкого
качества, хорошего результата получить невозможно. Проблема
данных особенно остро стоит в Байкальском регионе, где по
объективным и субъективным причинам установка большого количества
сейсмических станций, необходимых для качественной реализации
томографического подхода, представляет большую трудность. Все
попытки использовать данные байкальской региональной сети для
исследования мантии не давали однозначно достоверного результата.
 |
|
Результат применения инверсной телесейсмической схемы для
изучения верхней мантии под байкальским регионом. Вертикальный
срез вплоть до глубины 700 км. Более темные цвета -- отрицательные
сейсмические аномалии (более горячие области). На сечении
схематически показано положение основных литосферных плит.
|
Чтобы обойти проблему низкого качества данных, получаемых
региональными сетями, мы начали поиск альтернативных схем.
Наиболее эффективной показала себя так называемая Инверсная
Телесейсмическая Схема (ИТС). Идея, положенная в основу схемы,
чрезвычайно проста. Оказывается возможно изучать мантию под
Байкалом по информации, регистрируемой станциями, расположенными
на другой части планеты, если они способны фиксировать
землетрясения, происходящие в байкальском регионе. В силу
принципа взаимности, активно используемого, к примеру, в
сейсморазведке, лучу абсолютно безразлично, в каком направлении
двигаться -- из Сибири или в Сибирь. Однако на практике такая
схема дает ряд бесспорных преимуществ. В этом случае мы можем
работать с лучшими станциями мира, информация о которых хранится
в электронной форме на сервере мирового сейсмологического центра,
и доступна, практически любому пользователю. Количество и
качество данных по такой схеме существенно выше, чем в
традиционных подходах. И что немаловажно, эта схема позволяет
изучать любые сейсмически активные районы мира быстро, без затрат
на установку станций, не спрашивая разрешение на исследования у
местных властей.
Как-то раз, будучи во Франции, я столкнулся с исследователями,
которые занимались изучением недр Исландии. Они несколько лет
устанавливали станции в этом труднодоступном регионе. Я предложил
им на спор построить мантийную структуру под Исландией за два
дня, не используя их данные. В итоге мне удалось выиграть бутылку
хорошего красного вина, а заодно внести вклад в исследование
данного региона и лишний раз доказать эффективность ИТС. Ну, а
если серьезно, ИТС была применена во многих районах мира таких,
как Тибет, Средиземноморье, Алтае -- Саянская область, Монголия
и, наконец, Байкал.
 |
|
Геодинамическая интерпретация полученных в работе
результатов: а -- модель конвективных течений (тонкие стрелки) в
верхней мантии региона и мантийного плюма (черное) под южной
окраиной Сибирского кратона. Различаются по цвету литосфера
древнего кратона и складчатых поясов; б -- более детальная
ситуация в байкальском регионе. Продемонстрированы возможности
проникновения вещества плюма (или флюидов) вдоль контактной зоны
и образования аномальных линз под корой. Стрелки -- направление
региональных растягивающих напряжений, обусловленных, вероятно,
межплитными взаимодействиями.
|
Наши исследования, распространявшиеся на запад от Байкала вплоть
до Алтая, показали, что мантия под южным горным обрамлением
Сибири имеет явно выраженную ячеистую структуру с чередующимися
горячими и холодными аномалиями. По-видимому, это является
отражением конвективных течений в верхней мантии на глубинах от
700 до 100 км под югом Сибири. Играет ли эта конвекция
какую-нибудь роль в формировании коры, сказать определенно
нельзя. Однако можно видеть некоторое соответствие структур на
поверхности с направлением потоков в мантии. Например, горные
системы Алтая и Саян совпадают с нисходящими движениями в мантии,
а впадина Великих Монгольских озер -- с восходящим.
Результаты, полученные под Байкалом, оказались неожиданными даже
для нас. Было бы гораздо проще и спокойнее получить картинку,
соответствующую общепризнанному представлению о наличии горячего
тела под Байкалом. Однако вопреки ожиданиям мы увидели, что
мантия под Байкальской складчатой областью скорее холодная, чем
горячая. Напротив, под Сибирской плитой, в районе Верхнеленского
поднятия на глубинах от 700 до 200 км наблюдаются резко
контрастные горячие аномалии.
На базе этих результатов, а также используя некоторые другие
геофизические наблюдения, мы предложили модель, объясняющую
механизм развития байкальского региона. Итак, отрицательная
сейсмическая аномалия под Сибирской платформой -- это след
мантийной струи, плюма, поднимающейся из глубин мантии вплоть до
подошвы древней и прочной Сибирской плиты. Достигнув твердого
препятствия веществу плюма ничего не остается, как растекаться по
ее подошве. Поскольку край плиты находится недалеко, часть
горячего материала направилась туда. Достигнув зоны стыка, этот
материал оказался как бы в ловушке. Находясь там он подогревал
литосферу, насыщал ее всякими посторонними веществами и изменял
химически, что, несомненно, должно было существенно ослабить ее
прочность. Этим не преминули воспользоваться региональные
растягивающие силы, порожденные межплитными взаимодействиями,
разбив кору именно в этом месте, что и привело к образованию и
развитию Байкальской впадины. Таким образом, наша гипотеза,
основанная на фактических данных, совмещает элементы как
активного, так и пассивного механизмов рифтообразования.
Конечно, до окончательного прояснения ситуации под Байкалом еще
далеко. Необходимо увязать в рамках одной модели ряд фактических
данных, используемых сторонниками различных концепций для
доказательства своей правоты. Однако можно сказать, что последние
результаты, полученные с помощью сейсмической томографии
позволили существенно продвинуться в понимании механизмов,
приведших к образованию Байкальского феномена.
г. Новосибирск.
стр.
|
