Красное море оказалось молодым океаном

Рис. 1. Красное море. Вид из космоса. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Традиционно считается, что Красное море, по геологическим меркам, очень молодое образование. Существующие тектонические модели предполагают, что со временем по мере расхождения Африканской и Аравийской литосферных плит на месте Красного моря появится новый океан со своей специфической океанической корой, которая по составу и физическим параметрам отличается от континентальной. Но недавние гравиметрические и сейсмические исследования показали, что океаническая кора уже присутствует под всем Красным морем, а не только в его южной части, как считали раньше. На основе геофизических данных ученые построили новую модель тектоники Красного моря, воссоздали этапы его перехода от континентальной рифтовой структуры к типичному океаническому желобу, а также вычислили время начала спрединга в его осевой части.

С геологической точки зрения, Красное море — это рифтовая зона на границе Африканской и Аравийской литосферных плит. Она является продолжением системы Аравийско-Индийского подводного срединно-океанического хребта на северо-западе Индийского океана и континентальной системы Восточно-Африканских рифтов. Последняя интересна тем, что в ее пределах можно в реальном времени наблюдать, как при активном вулканизме происходит раздвижение и утончение континентальной коры, а в некоторых местах (Афарская котловина) уже идет формирование новой океанической коры (рис. 2).

Рис. 2. Система рифтов Восточной Африки. Границы литосферных плит, совпадающие в западной части Индийского океана с срединно-океаническими хребтами, показаны сплошной линией, границы континентальной Восточно-Африканской рифтовой зоны — пунктиром, красные треугольники — действующие вулканы, Афарская котловина показана оранжевым. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Геологи считают, что вся система Восточно-Африканских рифтов, включая рифт Красного моря, начала формироваться 25–30 млн лет назад, когда над поднимающимся из мантии Афарским плюмом в Аравийско-Нубийском континентальном щите образовался разлом и по нему Аравийская плита начала отделяться от Африканской.

На протяжении миллионов лет провал на месте будущего Красного моря все расширялся, заполнялся водой, но с точки зрения геологии, это все еще было континентальное море. Чтобы море стало океаном, на его дне должна появиться океаническая кора, которая образуется в зонах спрединга — центральных частях срединно-океанических хребтов, где через разломы в земной коре на поверхность поступает базальтовый расплав — главный компонент океанической коры.

По прогнозам ученых, через 3–4 миллиона лет по всему разлому Восточно-Африканского рифта — от Мертвого моря до Мозамбика — восточная Африка отделится от основной части африканского континента, и, образовав новый материк, двинется к Аравийскому полуострову. При этом протяженность Красного моря увеличится в 3 раза, а в месте столкновения нового материка с Аравийским полуостровом, скорее всего, возникнут горы.

Но это — в будущем. А в настоящее время Красное море представляет собой уникальное геологическое образование, которое в северной части, по крайней мере внешне, выглядит еще как континентальный рифт, а в южной — уже как типичный молодой океан, с океанической корой и своим срединно-океаническим хребтом.

Недавно две группы ученых-геофизиков из Саудовской Аравии, России, Швейцарии, Германии и Исландии опубликовали статьи в журналах Nature Communications и Scientific Reports, в которых они детально рассмотрели этапы перехода от континентального рифтинга к океаническому спредингу и сопровождающие каждый из этапов глубинные процессы, выяснили детали строения формирующегося срединно-океанического хребта и впервые определили время начала спрединга — старта образования океанической коры в центральной части Красного моря.

Основным препятствием для изучения тектонической структуры дна Красного моря и подстилающей коры является большая мощность наносов, в том числе солевых отложений, которые сильно искажают геофизические сигналы и приводят к неоднозначной интерпретации результатов гравитационных и магнитных наблюдений.

Саудовские исследователи из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) вместе с коллегами из Германии и Исландии объединили детальные карты морского дна с гравитационными и сейсмическими данными и впервые точно определили под слоем осадочных отложений места выхода океанической коры на дне Красного моря.

Океаническая кора более плотная, чем континентальная, и эти различия находят отражение в локальном гравитационном поле. Авторы объединили данные о распределении вертикального градиента силы тяжести (VGG — vertical gravity gradient), полученные с помощью спутников, отслеживающих гравитационное поле Земли, с картами морского дна высокого разрешения, химическим составом горных пород и данными о землетрясениях, и увидели много интересного.

Во-первых, авторы обнаружили спрединговые разломы на всем протяжении Красного моря, а не только в его южной части. Геофизические данные указывают на то, что и океаническая кора присутствует под всем бассейном, но в северной части, отделенной от центральной и южной частей Забаргадской зоной разлома, она перекрыта более мощной толщей осадков.

Рис. 3. Карта вертикального градиента силы тяжести (VGG) дна Красного моря. Разными линиями обозначены: черными пунктирными — границы континентальных плит, черными сплошными — крупные разломы, белыми сплошными — оси спрединга, белыми пунктирными — границы сегментов. Цветовая шкала — VGG, в Этвешах. Слева внизу — диаграмма ориентации спрединговых зон (белый) и границ сегментов (оранжевый). RS-DS-TF — трансформный разлом «Красное море — Мертвое море»; NRSR — северный рифт Красного моря; ZFZ — Забаргадская зона разлома; CRSR — центральный рифт Красного моря. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Во-вторых, в данных VGG отчетливо видны следы сегментации — разделения рифтовой зоны на сектора поперечными разломами, вдоль которых располагаются подводные вулканы. Возможно, считают исследователи, со временем границы секторов преобразуются в классические трансформные разломы, характерные для всех срединно-океанических хребтов, но пока по ним не отмечается никаких боковых подвижек. Исключение составляют только более крупные и хорошо оформленные Забаргадская зона и разлом «Красное море — Мертвое море», которые авторы относят к категории трансформных (рис. 3).

Интересно, что именно в этих трансформных зонах значение VGG минимально, а сейсмическая активность максимальная. Во всех случаях границы сегментов прослеживаются только в осевой части бассейна и не переходят на континентальный склон.

Детальное картирование элементов тектонической структуры дна впервые позволило ученым по геофизическим данным провести внешнюю границу Африканской и Аравийской континентальных плит и на основе этого оценить ширину полосы океанической коры, а также время начала ее формирования.

Исходя из того, что ширина отдельных сегментов варьируется от 103 до 174 км, а зафиксированная на сегодня по данным GPS скорость спрединга составляет от 8,1 до 12,9 мм/год, авторы делают вывод о том, что океаническая кора начала формироваться 12,7–13,5 млн лет назад, причем практически одновременно по всей длине Красного моря.

То, что под северной частью бассейна, как и под южной, находится океаническая кора, подтверждают и единичные пробы базальтов, отобранные во время глубоководного бурения. По своим петрологическим характеристикам это — типичные толеитовые (перенасыщенные кремнеземом) базальты срединно-океанических хребтов, образовавшиеся в результате плавления астеносферы. Они существенным образом отличаются от щелочных базальтов, обычно встречающихся в континентальных рифтах.

Полученные данные позволили авторам построить новую тектоническую модель Красного моря, согласно которой уже весь бассейн, а не только южная часть выглядит как молодой океан (рис. 4).

Рис. 4. Новая тектоническая модель рифта Красного моря. Желтым показана континентальная кора, голубым — океаническая кора, перекрытая осадочными отложениями, синим — океаническая кора, выходящая на поверхность, оранжевые точки — осевые поднятия. Линии: желтые — границы сегментов; коричневая — ось рифтовой зоны, по данным прямых наблюдений; бежевая — ось рифтовой зоны, по данным VGG; черные — основные разломы. Римские цифры — номера сегментов. Врезка b — время начала спрединга (в млн лет) по сегментам: желтые квадраты — по результатам VGG; синяя линия — динамика разрастания Красноморского рифта на основе данных глобальной геодинамической модели MORVEL (D. F. Argus et al., 2011. Geologically current motion of 56 plates relative to the no‐net‐rotation reference frame). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Со своей стороны, исследователи из Центра наук и технологий короля Аблулазиза (KACST) проанализировали данные каталога событий объединенных сетей сейсмических наблюдений Египта и Саудовской Аравии, содержащие времена прихода волн от 15 899 региональных и местных землетрясений, и на основе этого анализа построили трехмерную томографическую модель строения земной коры и верхней части мантии под северной частью Красного моря и прилегающими территориями (рис. 5).

Рис. 5. Томографическая модель литосферы северной части Красного моря. Цветовая шкала — аномалии прохождения продольных сейсмических волн (P-волн), в процентах: а — на глубине 20 км; b — на глубине 90 км; с–е — разрезы. Изображение из обсуждаемой статьи в Scientific Reports.

Впервые на малых глубинах (до 20 км) авторы обнаружили в центре крупной аномалии повышенных скоростей осевую низкоскоростную аномалию, ширина которой увеличивается к югу. Ниже 50 км уже под всем бассейном — одна сплошная низкоскоростная аномалия.

Обычно с областями высоких скоростей Р-волн ассоциируются твердые, плотные массивы, состоящие из застывших магматических или глубоко метаморфизованных пород, тогда как низкие скорости обычно интерпретируются как активные магматические системы с высокой температурой, содержащие расплавленный материал.

Интересно, что в областях, где низкоскоростная аномалия наблюдается под осевым прогибом, сейсмичность относительно слабая, тогда как максимальная сейсмическая активность наблюдается под самой северной частью Красного моря. Это хорошо увязывается с данными по скоростям прохождения волн, ведь в плотных, консолидированных породах хрупкая деформация коры создает значительно большую сейсмичность, чем в пластичных системах с расплавом.

Историю эволюции тектонической системы Красного моря авторы условно разбили на три этапа. На первом этапе (континентальный рифтинг) над краем поднимающегося мантийного плюма началось растяжение континентальной коры с образованием характерных грабенообразных сбросов (рис. 6).

Рис. 6. Три этапа перехода от континентального рифтинга к океаническому спредингу: А — континентальный рифтинг; В — дайкообразование; С — начало спрединга. Изображение из обсуждаемой статьи в Scientific Reports

На втором этапе (дайкообразование), который начался примерно 25 млн лет назад, дальнейшее растяжение коры привело к заложению множества вертикальных разломов и подъему по ним расплавленного астеносферного материала, застывающего в виде даек. Переходная (между континентальной и океанической) литосфера, насыщенная дайками, выглядит в сейсмической модели как высокоскоростная аномалия.

В более толстых краевых частях расходящихся литосферных плит магма не находила прямых путей для поступления на поверхность и формировала промежуточные очаги на границе литосферной мантии и коры, а также внутри коры — многоуровневые резервуары магмы, которые были источником периодических площадных извержений с образованием массивных базальтовых полей. Граница между промежуточной корой и континентальными плитами в геофизических полях соответствует резкому переходу от низкой скорости волн под сушей к высокой скорости под морем.

Третий этап растяжения литосферы (начало спрединга) предполагает образование в осевой части бассейна линейного провала в виде желоба, фиксируемого низкой скоростью прохождения волн. Низкоскоростная зона вдоль осевого желоба представляет собой горячую, частично расплавленную астеносферу, которая поднимается непосредственно под центром спрединга.

Такие же поднятия горячей астеносферы геофизики фиксируют под срединно-океаническими хребтами в осевых частях всех океанов планеты.