Литология и полезные ископаемые, 2021, № 5, стр. 389-405

Сейсмостратиграфическая характеристика котловины Нансена

Существенный вклад в сейсмостратиграфическое изучение котловины Нансена и ее обрамления был сделан в ходе выполнения российских проектов Арктика 2011, 2012 и 2014 [Nikishin et al., 2018; Арктический …, 2017]. Было показано, в частности, что значительные изменения в топографии фундамента в котловине Нансена происходили в среднем эоцене (около 43 млн лет назад). Интерпретация протяженных сейсмических разрезов по проекту Арктика-2011 позволила впервые зафиксировать структуру осадочных комплексов склонов и их обрамления в центре и на востоке Евразийского бассейна.

Более ранняя работа по результатам норвежской экспедиции 2001 г. была нацелена на исследование западной части котловины Нансена и ее обрамления [Engen et al., 2009], в ней приведена сейсмостратиграфическая схема западной части котловины Нансена. При этом были учтены известные к тому времени данные других авторов [Jackson et al., 1984; Baturin et al., 1994; Riis, 1994; Jokat et al., 1995, 2003; Sorokin et al., 1998; Weigelt, Jokat, 2001; Geissler, Jokat, 2004; Jokat, Micksch, 2004]. В осадочном чехле выделены четыре крупные сейсмофации с типичными для осадочных пород пластовыми скоростями распространения звука от 2.4 до 1.8 км/с. Аналогичный средний показатель для поверхности кристаллической коры составил 3.7 км/с. Мощность осадочной толщи достигает 2 км и возрастает в направлении депоцентра на Баренцево-Карском континентальном шельфе.

В ряду последних публикаций по данной теме следует отметить работу немецких авторов [Lutz et al., 2018], посвященную сейсмостратиграфии осадочного чехла и конфигурации фундамента в юго-западной части Евразийского бассейна. Использованы многоканальные сейсмические данные, которые в сочетании с результатами гравитационных и магнитометрических съемок позволили разработать модель, отражающую формирование и эволюцию фундамента бассейна Нансена.

На основании перечисленных материалов составлено сводное сейсмостратиграфическое описание разреза котловины Нансена, которое послужило основой при интерпретации сейсмических данных в настоящей работе. На рис. 2 приведены ключевые разрезы и результаты их сейсмо-стратиграфической интерпретации из двух основных публикаций [Engen et al., 2009; Nikishin et al., 2018]. На временны́х разрезах через котловину Нансена выделяется ряд устойчивых отражающих горизонтов, они являются маркирующими в пределах обширных территорий. На рис. 3 приведена сводная схема корреляции выделенных горизонтов и комплексов.

Рис. 2.

Региональные разрезы западной части котловины Нансена и их интерпретация. а ‒ NPD-POLAR-15 [Engen et al., 2009], б ‒ Арктика-2011-6, по [Nikishin et al., 2018] с изменениями, подписаны индексы магнитных аномалий. Положение профилей показано на рис. 1.

Рис. 3.

Основные сейсмокомплексы, выделяемые в котловине Нансена по данным [Engen et al., 2009; Nikishin et al., 2018], в Чукотском море [Hegewald, Jokat, 2013] и их сопоставление с колебаниями уровня моря по [Haq et al., 1987; Benbow et al., 1995].

Сейсмокомплекс акустического фундамента залегает в основании разреза. Он прослеживается от континентального шельфа и характеризуется хаотической сейсмической записью, отсутствием протяженных отражающих горизонтов и наличием крутых сбросовых и листрических разломов, формирующих грабенообразные впадины. Кровля сейсмокомплекса обычно маркируется отражающим горизонтом Аф.

На акустический фундамент с резким угловым несогласием ложится мощный комплекс недеформированных осадочных пород. Выделенные в публикациях [Engen et al., 2009; Nikishin et al., 2018] осадочные сейсмокомплексы не совпадают (см. рис. 2, 3). А.М. Никишин с соавторами определяют 4 сейсмокомплекса, характерных для Евразийского бассейна: от раннего до среднего эоцена (56–45.7 млн лет), от среднего эоцена до раннего олигоцена (45.7–33.2 млн лет), от раннего олигоцена до раннего миоцена (33.2–19.7 млн лет) и от раннего миоцена до настоящего времени (19.7–0 млн лет).

Сейсмокомплекс NB–2 (ранний–поздний миоцен, 23–10 млн лет) присутствует на всех профилях серии Арктика-2011 (см. рис. 3, 3–6), распространен в котловине Нансена, а в районе хребта Гаккеля полностью отсутствует. Граница между сейсмокомплексами NB–1 и NB–2 проводится по появлению низкочастотных прерывистых отражений, перекрывающих протяженные параллельные горизонты верхов сейсмокомплекса NB–2. Скорости составляют 1.9–2.5 км/с при средней 2.2 км/с. Средняя мощность сейсмокомплекса около 0.4 км, в наиболее глубоких впадинах она увеличивается до 0.8 км. В нижней части комплекса присутствует пачка низкочастотных прерывистых отражений, в ее кровле, согласно [Nikishin et al., 2018], выделяется отражающий горизонт, который по магнитным данным датируется возрастом 19.7 млн лет. Выше сейсмическая запись характеризуется протяженными, в основном параллельными отражениями постоянной мощности, которые изгибаются конформно рельефу акустического фундамента. Отражения низкочастотные, с различной амплитудой – от размытого и расплывчатого изображения до непрерывных сильных горизонтов.

Рис. 4.

Образцы сейсмической записи, содержащие отображение оползневых структур и локальных осадочных холмов линзовидной формы, относящихся к лопастям конусов выноса или к контуритам (а); образцы сейсмической записи с дрифтами – осадочными формами, образованными терригенным материалом контурных течений; турбидиты (б); образцы сейсмической записи с примерами акустического осветления и потери когерентности рефлекторов (в).

Рис. 5.

Интерпретация отражающих горизонтов и осадочных форм по разрезу Арктика-2011-03. Положение разреза показано на рис. 1.

Рис. 6.

Интерпретация отражающих горизонтов и осадочных форм по разрезу Арктика-2011-04. Положение разреза показано на рис. 1.

Сейсмокомплекс NB–3 (поздний миоцен–поздний плиоцен, 10–2.6 млн лет) присутствует на всех профилях серии Арктика-2011 (см. рис. 3, 4‒6). В котловине Нансена он несогласно перекрывает кровлю сейсмокомплекса NB–2 путем кровельного прилегания, с выклиниванием в сторону Северо-Карского бассейна. Данное несогласие носит региональный характер и отражает открытие пролива Фрама в миоцене. При приближении к хребту Гаккеля и зоне отсутствия сейсмокомплекса NB–2, сейсмокомплекс NB–3 с резким угловым несогласием залегает на породах акустического фундамента. Интервальные скорости сейсмокомплекса колеблются в пределах 1.8–2.4 км/с при средней скорости 2 км/с. Мощность сейсмокомплекса в котловине Нансена достаточно равномерная и составляет 0.3 км. При приближении к хребту Гаккеля она коррелируется с рельефом акустического фундамента: увеличивается во впадинах и практически полностью сокращается на поднятиях. Необходимо отметить, что надежность выделения сейсмокомплекса в таком случае крайне невысока из-за отсутствия протяженных горизонтов и буровых данных. Существует вероятность, что впадины заполнены более древними комплексами. Этот вопрос требует прояснения при дальнейших сейсмостратиграфических исследованиях района. В целом акустический облик сейсмокомплекса характеризуется высоко- и среднеамплитудными четкими параллельными отражениями, а также ярко выраженным региональным рефлектором подошвы. Горизонты изгибаются при приближении к поднятиям акустического фундамента, но менее выраженно, чем горизонты сейсмокомплекса NB–2.

Сейсмокомплекс NB–4 (поздний плиоцен– настоящее время, 2.6–0 млн лет). Конформная граница между NB–3 и NB–4 является согласной и проводится по непрерывному отражающему горизонту средней амплитуды (см. рис. 3–6). Интервальные скорости сейсмокомплекса колеблются в пределах 1.6–2.0 км/с при средней скорости 1.8 км/с. Мощность около 0.4–0.6 км. В основании сейсмокомплекса, по данным [Engen et al., 2009], выделяется протяженное (~150 км) осадочное тело А с некогерентной структурой волнового поля мощностью около 0.1 км, которое относится к отложениям обломочных потоков. Это важный региональный корреляционный маркер, и, возможно, следует ожидать присутствия подобных тел в других частях котловины. По характеру сейсмической записи комплекс NB–4 подразделяется на две части: нижнюю (NB–4А), со слабыми параллельными горизонтами и хаотичным полем, и верхнюю (NB–4B) с хорошо выраженными параллельными отражениями, которые заметно ярче, чем установленные в нижележащей части. Эти пачки интерпретируются как два региональных комплекса, сформированных в результате разрушения ледникового склона.

Колебания уровня моря в котловине Нансена в палеогене и неогене

Колебания относительного уровня моря являются важным фактором эволюции осадконакопления в истории развития осадочных бассейнов. Положение уровня моря зависит от тектонического режима, климата, количества привносимого в бассейн осадочного материала, а также от характера связи бассейна с Мировым океаном.

Сказанное в полной мере относится к Арктическому мегабассейну. Гетерогенность его фундамента, разнообразие частных структур и вариации их движений, влияние тектонических реорганизаций, происходивших в разновозрастных комплексах континентального обрамления в сочетании с зависимостью положения уровня моря от эпох оледенения в Северном полушарии, крайне затрудняют реконструкцию истории осадконакопления. Этим вопросам посвящена обширная литература, в частности [Левитан и др., 2015], однако единая непротиворечивая седиментологическая модель, учитывающая тектонику, климат и гидрологический режим в регионе и его обрамлении, находится пока в стадии разработки. В рамках данной статьи, не нацеленной на обобщающие палеогеографические реконструкции, остановимся на обсуждении результирующих форм рельефа и рассмотрении возможностей их корреляции в пространственно разобщенных и генетически различных бассейнах.

В результате сейсмостратиграфических исследований проградационного клиноформенного комплекса шельфа Чукотского моря [Hegewald, Jokat, 2013] установлено, что в позднем эоцене, вплоть до начала миоценового времени Арктический бассейн был изолирован от Мирового океана (см. рис. 3). В раннем миоцене произошло открытие пролива Фрама, в результате чего возобновилась связь Арктического бассейна с Мировым океаном. В позднем миоцене происходило открытие Берингова пролива (см. рис. 3). Эти выводы основаны на несоответствии изменений относительного уровня Чукотского моря, являющегося частью Арктического бассейна, глобальной эвстатической кривой [Hegewald, Jokat, 2013].

Общей характеристикой обстановок формирования осадочного чехла в бассейне котловины Нансена является относительная глубоководность и значительное удаление от источников сноса обломочного материала, что существенно затрудняет выяснение условий седиментации сформировавшихся здесь осадочных комплексов. Разрез шельфа Чукотского моря, напротив, характеризуется отчетливо выраженным клиноформенным строением, отражающим колебания относительного уровня моря, что позволяет провести детальный анализ несогласий и выявить эпизоды изменений седиментационного режима. Для выяснения истории развития котловины Нансена был проведен сравнительный анализ сейсмостратиграфических комплексов, выделяемых внутри котловины, с комплексами шельфа Чукотского моря (см. рис. 3).

В нижней части кайнозойского осадочного разреза Чукотского моря выделяется Азолловый горизонт, названный по роду папоротников Azola, широко распространенных на суше в этот период в пределах всей Арктики [Collinson et al., 2010]. Горизонт соответствует эпизоду повышения относительного уровня Мирового океана в течение раннеэоценового климатического оптимума и, вероятно, коррелируется с протяженными отражениями верхней части пачки NB–1А котловины Нансена.

Начало изоляции Арктического бассейна было связано с падением (до 200 м) уровня Чукотского моря в конце эоцена. В глубоководных разрезах котловины Нансена это событие выражено в средней части пачки NB–1B сменой прозрачных прерывистых отражений на более четкие и протяженные.

С начала миоцена происходило существенное повышение относительного уровня Чукотского моря, в результате которого возобновилась связь Арктики с Мировым океаном через пролив Фрама. В осадочном чехле котловины Нансена начало этого события выявляется в нижней части сейсмокомплекса NB–2 в виде смены низкочастотных прерывистых отражений на протяженные параллельные горизонты, а непосредственное открытие пролива Фрама выражается как угловое несогласие между сейсмокомплексами NB–2 и NB–3.

Следующим значительным эпизодом в истории развития Арктического бассейна является открытие Берингова пролива в конце миоценового времени. Этот период связан с падением уровня моря в Чукотском бассейне на 100–150 м. Кровля миоцена в разрезе котловины Нансена выражена внутри сейсмокомплекса NB–3 как переход от прерывистых отражений нижней части к четким выдержанным горизонтам его верхней части.

Плиоценовая история изменения относительных изменений уровня Арктического бассейна идентична глобальной. В ней можно выделить два региональных события. Первое связано с падением относительного уровня моря примерно на 50 м и устанавливается по присутствию оползневых и переотложенных осадочных тел в основании раннеплиоценового сейсмокомплекса NB–4. Второе событие также отражает падение уровня моря относительно небольшой амплитуды, по-видимому, спровоцировавшее разрушение ледникового склона, в результате чего сформировались две пачки (NB–4А и NB–4Б) сейсмокомплекса NB–4.

Таким образом, колебания уровня моря оказывали существенное влияние на процессы седиментации в Арктическом бассейне. В периоды регрессии, при низком уровне воды, на шельфе и склоне развивались процессы разрушения, в результате которых в относительно глубоководных частях бассейна формировались мощные конусы выноса и оползневые тела. Наиболее отчетливо результаты гравитационных процессов проявлены в молодых сейсмокомплексах плиоценового возраста.

Интерпретация сейсмических разрезов Арктика-2011-3, 4, 5, 6

В работе использовались временны́е разрезы Арктика-2011-3, 4, 5, 6 (см. рис. 1), по которым было проведено выделение основных отражающих горизонтов путем их пикирования по характерным рефлекторам. При пикировании нижнемиоценового и более древних горизонтов (см. рис. 3) использовалась индексация и привязка к разрезу из работы [Nikishin et al., 2018], в которой интерпретация палеогеновых сейсмических комплексов увязана с магнитными аномалиями Евразийского бассейна и прослежена до шельфа моря Лаптевых. Неоген-четвертичные сейсмические комплексы и ограничивающие их горизонты в отсутствие прямой увязки с разрезами в Норвежской части котловины Нансена [Engen et al., 2009] и данными бурения выделялись методом сопоставления с волновым полем данных [Engen et al., 2009] по таким характеристикам, как мощность сейсмических комплексов и особенности записи внутри комплексов (резкое осветление записи, потеря когерентности фаз сигнала, параметры общей интенсивности отраженного сигнала, характер акустической стратификации). Несмотря на то, что сходство волнового поля не гарантирует правильность атрибуции сейсмических комплексов, в данном случае это единственный доступный подход к их идентификации и определению возрастов.

Равномерная субпараллельная акустическая стратификация осадочной толщи котловины нарушается вблизи континентального склона формами записи, связанными с оползневыми процессами, отложениями турбидитных потоков и контурных течений (см. рис. 4а, б). При имеющихся в нашем распоряжении данных, отличить их друг от друга не всегда возможно. Для лопастей ближних и средних частей конусов выноса характерно локальное увеличение мощности вблизи континентального подножия с образованием осадочных тел линзовидной формы, нарушающих простую акустическую стратификацию с субпараллельной и субгоризонтальной ориентацией рефлекторов. Такое же локальное увеличение мощности формируется при отложении контуритов, однако вследствие недостаточной разрешающей способности и малой мощности тел не всегда удается определить характерный для контуритов тип рефлекторов с проградацией вверх по склону. Поэтому линзовидные тела на использованных нами разрезах в большинстве случаев показаны в неразделенном виде, как относящиеся и к турбидитам, и к контуритам. В ряде случаев характер напластования, выраженный в характерной конфигурации рефлекторов, позволил установить контуритовую природу линзовидных тел (см. рис. 4б). Для контуритов характерна хорошая акустическая стратификация осадочных тел и определенный тип наращивания, заключающийся в том, что рост таких тел происходит в местах резкой смены характеристик донного потока, приводящей к разгрузке транспортируемых осадков [Faugeres et al., 1999; Rebesco, Stow, 2001; Rebesco et al., 2013]. Лопасти турбидитов характеризуются хаотичной структурой записи, типичной для отложений обломочных потоков. На континентальном склоне хорошо видны структуры, сформированные сходом оползней (см. рис. 4а). Они состоят из стенок срыва, оползневых псевдотеррас и собственно оползневых тел, в ряде случаев налегающих на расположенные ниже по склону ненарушенные осадки. Оползни развиваются в верхней части континентального склона за бровкой шельфа, где слабоконсолидированные осадки находятся в неустойчивом состоянии и начинают смещаться вниз при углах наклона более 1° [Рединг, 1990]. В более древних комплексах континентального склона не всегда удается выделить оползневые тела из-за наложения кратных волн сейсмической записи.

Удаленные части конусов выноса, сформированные турбидными потоками на расстояниях в сотни километров от континентального подножия, представлены в котловинах субгоризонтально стратифицированными отложениями (см. рис. 4в), которые на 2D разрезах могут отличаться от типичного пелагического осадконакопления рядом особенностей. В толще турбидитов из-за постоянной латеральной миграции потоков могут образоваться формы записи в виде коротких рефлекторов с потерей латеральной когерентности. В случае интенсивного выноса грубообломочных осадков на значительные расстояния, отложения удаленных частей конуса выноса отличаются еще и общим осветлением записи при потере ее когерентности. Подобное тело протяженностью ~150 км ранее было обнаружено в западной части котловины Нансена [Engen et al., 2009] и проинтерпретировано как образованное отложениями обломочных потоков.

Указанные аномалии осадконакопления выделены на использованных в данной работе разрезах (см. рис. 5, 6, 7, 8). Эти разрезы в оригинальном виде, без сейсмогеологической интерпретации, приведены в электронном приложении к данной статье (см. Приложение 1 ). Общей особенностью выделенных комплексов на всех разрезах, кроме Арктика-2011-5 (см. рис. 7), является резкое увеличение общей мощности осадочного разреза на удалении в 20–60 км от шельфа и постепенное ее уменьшение в северном направлении. Примыкающая к градиентной зоне континентального склона часть котловины включает наибольшее количество линзовидных осадочных тел, что является следствием интенсивного поступления в эту область осадочного материала, необходимого для формирования контуритов, турбидитов и оползневых тел, обеспечивающего наблюдаемое увеличение мощности. Удаленные от склона части котловины заполнялись пелагическими осадками и отложениями турбидитных потоков дальних частей конусов выноса [Rebesco et al., 2014]. Увеличение мощности отложений обломочных потоков в глубоководных котловинах совпадает с периодами падения уровня моря (см. рис. 3), приводящими к возрастанию интенсивности эрозионных процессов на шельфе.

Рис. 7.

Интерпретация отражающих горизонтов и осадочных форм по разрезу Арктика-2011-05. Положение разреза показано на рис. 1.

Результаты пространственного распределения осадочных форм

Пространственное положение выделенных на разрезах Арктика-2011-3, 4, 5, 6 (см. рис. 5‒8) осадочных форм (лопастей конусов выноса, контуритов, оползней) показано (рис. 9) для каждого осадочного комплекса, накопившегося в интервале времени между образованием основных региональных рефлекторов (см. рис. 3). Технически результаты пикирования ОГ были преобразованы в ГИС-совместимый формат, который позволил осуществить компиляцию интерпретации разрезов в виде карт распределения выделенных осадочных форм на фоне современного рельефа.

Рис. 8.

Интерпретация отражающих горизонтов и осадочных форм по разрезу Арктика-2011-06. Положение разреза показано на рис. 1.

Рис. 9.

Пространственное положение аномальных осадочных форм – линз лопастей конусов выноса и контуритов, оползней, зон потери когерентности (цветовая маркировка соответствует легенде разрезов, см. рис. 3–8) во время формирования сейсмокомплексов. а – NB–4B, б – NB–4А, в – NB–3, г – NB–2, д – олигоцен–ранний миоцен, е – поздний эоцен, ж – ранний эоцен, з – орография Арктического бассейна, по [Орографическая …, 1995], с изменениями: коричневый – склоны более 4°, оранжевый – склоны менее 4°, зеленый – подводные каньоны, линии с мелкими треугольниками – положение вогнутого перегиба профиля дна, линии с крупными треугольниками – бровка шельфа. Примерная граница между средней и удаленной частями конусов выноса показа белой пунктирной линией.

Осадочные линзовидные формы в четвертичных сейсмокомплексах NB–4A и NB–4B (см. рис. 9а, б) находятся в пределах современного рельефа, образованного вблизи континентального подножия глубоководными конусами выноса, которые сформированы терригенным материалом желобов Франц-Виктория и Св. Анны. Заложение этих желобов происходило на рубеже перми и триаса [Качурина и др., 1999; Шипилов, Верниковский, 2010], и при раскрытии Евразийского бассейна они уже существовали в качестве каналов вывода осадочного материала в молодую океаническую впадину. Характерным является уменьшение расстояния от бровки шельфа до зоны выполаживания рельефа средней части конуса выноса в центральных разрезах Арктика-2011-4 и 5 между желобами Франц-Виктория и Св. Анны. Осадочная форма в удаленной от шельфа части котловины может быть следствием выноса материала турбидитных потоков по длинному каньону из желоба Св. Анны, поворачивающего к западу (см. рис. 9з). Сегменты всех разрезов, примыкающих к шельфу, содержат оползневые тела в четвертичных отложениях. Прослеживание оползней, развивающихся у бровки шельфа, в более глубоких горизонтах затруднено из-за кратных волн. В четвертичных комплексах около континентального подножия наблюдаются контуриты, которые сформированы течениями, движущимися в котловине в восточном направлении [Rebesco et al., 2013]. В ряде случаев сложно отличить их от лопастей конусов выноса, однако аномальные осадочные формы в области перехода от склона к подножию присутствуют на всех разрезах. В удаленных частях конусов выноса, где рельеф выполаживается, в основной части котловины наблюдаются протяженные (от 20 до 90 км) зоны потери когерентности и акустического осветления в пределах горизонтально-слоистых пелагических отложений. Особенно отчетливо эти зоны проявлены в сейсмокомплексе NB–4A.

В миоцен-плиоценовых сейсмокомплексах NB–2 и NB–3 (см. рис. 9в, г) осадочные формы на центральных разрезах выделяются чаще и находятся в котловине на более значительном удалении от континентального склона, что может указывать на более высокую интенсивность турбидитных потоков в этот интервал времени, сформировавших отложения, отличные от нормальных пелагических. В области перехода от склона к подножию прослеживаются также формы, которые, возможно, являются контуритами. Наиболее вероятным контуритовым телом является осадочная форма, выявленная в комплексе NB–2 (см. рис. 9г). В разрезе Арктика-2011-5 в пределах сейсмокомплекса NB–3 прослеживается оползневая структура (см. рис. 9в), а выше по склону выражен уступ, представляющий собой стенку срыва (верхнюю часть зеркала скольжения), вдоль которой могло происходить движение оползневого тела. Проявления в удаленных частях конусов выноса зон потери когерентности в этих комплексах незначительны.

В олигоцен-миоценовых и верхнеэоценовых комплексах (см. рис. 9д, е) осадочные формы приурочены к зоне выполаживания конусов выноса в современном рельефе. Континентальное подножие содержит осадочные тела увеличенной мощности, которые формируются при сходе турбидитных потоков с континентального склона и образуют лопасти верхних и средних частей конусов выноса. Разрез Арктика-2011-5 содержит оползневое тело, так же, как и более молодые комплексы этого разреза. Прерывистый характер распределения выделенных осадочных форм вдоль разреза свидетельствует о нестабильном положении ложа потоков и тенденции к частой смене их направления. В олигоцен-миоценовом комплексе отмечена зона потери когерентности длиной около 60 км.

В раннеэоценовых сеймоскомплексах осадочные формы, связанные с отложениями турбидитов, редки, а общая мощность эоценовых отложений такая же, как мощность всей вышележащей толщи, что было определено по разрезам проекта Арктика-2011 после их пересчета из временнóй области в глубинную [Арктический …, 2017]. Тем не менее, следует отметить высокую вероятность обнаружения лопастей конусов выноса в данной части разреза, а отсутствие их признаков в сейсмической записи может быть связано с низким разрешением и малой амплитудой отражений в нижней части кайнозойского разреза.