Съемка по большому кругу
В настоящей статье описаны две работы. Первая из них — аэромагнитная съемка по большому кругу, охватывающая полосу шириной 160 км, которая пересекает весь Североамериканский континент от Тихоокеанского до Атлантического побережья и захватывает примыкающие континентальные шельфы; центр полосы проходит приблизительно через Вашингтон, округ Колумбия и Сан-Франциско (фиг. 1). (Направления залетов по большому кругу приблизительно параллельны между собой, причем расстояние между ними равно 8 км.) Съемка проводилась специально для изучения крупных структур земной коры аэромагнитным методом в соответствии с объединенным проектом, представленным Военно-морским океанографическим ведомством США, которое выполняло аэромагнитную съемку, и Геологической службой США, которая занималась интерпретацией большей части результатов.
К востоку от Скалистых гор высота залетов была приблизительно равна 1800 м над уровнем моря; к западу от этой области она большей частью достигала примерно 4800 м над уровнем моря, но снижалась до 1800 м к западу от Сьерра-Невады. Основное строение Североамериканского континента таково, что при аэросъемке была пересечена под прямым углом большая часть главных тектонических элементов от системы Аппалачей на востоке до Скалистых гор, Провинции бассейнов и хребтов и горных систем Калифорнии на западе. На магнитных профилях (фиг. 2 и 3) обнаруживаются аномалии различных длин волн. Аномалии с короткими длинами волн должны отражать литологические различия в верхней части земной коры, тогда как аномалии с много большими длинами волн, вероятно, связаны с литологическими особенностями более глубоких частей земной коры.
Магнитные профили указывают на четкое различие в распределении магнитных аномалий к западу и к востоку от системы Скалистых гор. К востоку существуют многочисленные коротковолновые аномалии с большой амплитудой, которые часто накладываются на длинноволновые аномалии. Западная часть характеризуется меньшим числом коротковолновых аномалий, в основном с меньшей амплитудой. На западе длинноволновые аномалии отсутствуют; исключением являются аномалии в Калифорнийской долине и аномалии Сьерра-Невады непосредственно к востоку. Это особенно характерно для Провинции бассейнов и хребтов (приблизительно между 112 и 118° з. д.). Слабомагнитная кора к западу от Скалистых гор содержит относительно мало магнитных минералов на небольших глубинах, и ее температура может превышать температуру Кюри для магнетита (578° С); поэтому кора может быть немагнитной на глубине. Столь различные распределения магнитных аномалий находятся в соответствии с данными сейсмических исследований земной коры [4, 5], которые показали, что система Скалистых гор делит территорию США на две коровые и верхнемантийные суперпровинции. Во всей восточной суперпровинцыи скорость волн сжатия в породах верхней мантии больше 8 км/с, средняя скорость этих волн в земной коре обычно превышает 6.4 км/с, а толщина коры, как правило, больше 40 км. В западной суперпровинции скорость волн сжатия в породах верхней мантии всюду меньше 8 км/с (исключение составляет окраина Тихоокеанского бассейна), средняя скорость этих волн в коре обычно меньше 6,4 км/с и толщина менее 40 км.
Эти наблюдения совместно с геологическими данными о кайнозойском диастрофизме и вулканизме в западной суперпровинции и относительно меньшей активности в кайнозое в восточной суперпровиниии указывают на наличие на западе мобильной верхней мантии и преобладание там кислой коры, которая в настоящее время получает основной и, вероятно, также кислый материал из мантии. Верхняя мантия на востоке относительно устойчива, и в преобладающую здесь в настоящее время основную кору в большом количестве поступает основной материал из мантии. Добавочный основной материал поступает также при излиянии лав. Первичная континентальная кора, выделившаяся из мантии, была, по-видимому, кислой; она медленно становилась более основной в результате добавления основного материала из мантии и удаления кислого материала с поверхности континента вследствие эрозии и вымывания. Схематический геологический разрез вдоль одного из аэромагнитных профилей показан на фиг. 4. Разрез был построен на основании сейсмических данных, а соответствующие профили аномалий силы тяжести были взяты с карты аномалий силы тяжести США [1].
Исследование магнитных профилей ясно показывает, что может быть выделена структура магнитных аномалий, отражающая, вероятно, элементы земной коры, расположенные в ее верхней части. Чтобы продемонстрировать это более убедительно, для области к востоку от Скалистых гор были построены магнитные профили с сечением изолиний 100 у (фиг. 5, А). За исключением провинций Блу-Ридж и Пидмонт, в восточной части полосы кристаллические породы залегают всюду под поверхностным слоем немагнитных осадочных пород мощностью несколько тысяч метров. Поэтому при любой интерпретации данных большую роль играет минералогическое и петрографическое изучение кернов скважин, пройденных в докембрийском основании. Для области к востоку от штата Небраска мы располагаем лишь небольшим количеством кернов. Однако в Небраске и в центральной части Огайо обилие кернов, взятых из докембрия, позволяет определить в общих чертах литологические особенности на основании распределения магнитных аномалий и магнитных свойств кернов.
Северо-восточное продолжение магнитных структур около 78° з. д. связано с основными и ультраосновными породами провинции Блу-Ридж — Пидмонт. Распределение магнитных аномалий большой амплитуды в центре штата Огайо, между 82 и 84° з. д., по-видимому, обусловлено метаморфическим комплексом кристаллических сланцев и гнейсов. Вероятно, эта область является продолжением провинции Гренвилл Канады, на что указывают петрографический анализ и определение возраста кернов [8]. В кернах и в выработках присутствует большое количество магнетита, с которым, видимо, связаны магнитные аномалии большой амплитуды. Резкая граница в распределении магнитных аномалий на западе описываемой области, около 84° з. д., видимо, отражает продолжение провинции Гренвилл на запад, в Огайо. К западу от этой границы в кернах основания присутствуют неметаморфизованные изверженные и осадочные породы.
Четкое распределение магнитных аномалий наблюдается на востоке штата Айова, между 91 н 94° з. д. К сожалению, керны из скважин, достигших докембрия, получены только для области непосредственно к северу от полосы, показанной на фиг. 5. Один керн представляет собой оливиновое габбро из северо-восточной части штата Айова (Йохо, неопубликованные данные), а другой — богатое магнетитом габбро из юго-восточной Миннесоты [7]. Эти керны свидетельствуют о габброидном составе пород близ докембрийской поверхности.
Проходящая в северо-восточном направлении между 94 и 97° з. д. линейная магнитная аномалия, вероятно, обусловлена наличием мощной толщи базальтов, представляющих собой часть основного пояса Кивино, простирающегося от области Больших озер к Канзасу. Это подтверждается данными бурения, а также магнитной съемки, которая показала, что магнитная аномалия прослеживается непрерывно от северного Канзаса до озера Верхнего, где на поверхность выходят большие массы базальтов. Ниже мы остановимся на этом вопросе подробнее.
В штате Небраска выделяются две области с четким распределением магнитных аномалий. Хотя здесь имеется много скважин, минералогический и петрографический анализы кернов не дают связной картины литологического состава пород. Однако магнитные данные позволяют выделить две области с различными магнитными структурами, на основании которых производится подразделение пород на крупные литологические единицы. Район очень высоких магнитных аномалий в восточной Небраске, между 97 и 99° з. д., относят к области гранитов и гранито-гнейсов, тогда как район в центральной Небраске, между 99 и 101° з. д., где распределение магнитных аномалий является очень гладким (см. также магнитные профили на фиг. 3), можно отнести к области метаморфизованных осадочных пород, преобладающих на докембрийской поверхности.
Существенно, что для области, где имеется много скважин, трудно составить литологическую карту докембрийской поверхности. Однако при использовании данных магнитометрии такую карту, хотя и в общих чертах, составить можно. Следует отметить, что рассматриваемые в настоящей статье структуры, которые распознаются на карте магнитных аномалий, в большинстве случаев выражены и на карте аномалий силы тяжести. Это указывает на то, что в верхних частях коры ее элементы, обладающие более высокой намагниченностью, имеют большую плотность и поэтому, вероятно, характеризуются более основным составом, чем первичные породы.
Главная цель настоящего исследования — определение магнитных свойств более глубоких частей земной коры. Коротковолновые аномалии, обусловленные докембрийскими породами, залегающими в верхних частях коры, исключались, для чего вдоль каждого магнитного профиля были сгруппированы и взяты последовательные равновзвешенные средние значения. Остающиеся длинноволновые аномалии переносились от профиля к профилю, и результаты, усредненные по измерениям для 5 точек, наносились по всей полосе с интервалами 4,8 и 14,4 км. Контурные карты восточной части Скалистых гор приведены на фиг. 5, Б,В. Анализ контурной карты фиг. 5, В показывает, что распределение аномалий и их простирание совершенно отличны от изображенных на карте с исходными данными (фиг. 5, А). Карты свидетельствуют о разделении магнитных эффектов от структурных и литологических элементов менее глубоких и более глубоких частей коры. На региональной аэромагнитной карте всей области съемки (фиг. 5, В; показан только район к востоку от Скалистых гор) отчетливо видно, что магнитные аномалии на большей части континента имеют широтное простирание. Исключение представляют лишь две пары меридиональных аномалий; при этом каждая пара проходит вблизи окраин континента. Преобладание широтных простираний магнитных аномалий можно связать с размещением магнитного материала вдоль широтной системы разломов в нижней части земной коры.
В частности, на контурной магнитной карте (фиг. 5, В) выделяется узкая широтная полоса положительных аномалий. Она простирается приблизительно на 800 км, от 99° з. д. на севере центральной части штата Небраска до 91° з. д., примерно до границы между штатами Айова и Иллинойс, и на севере окаймлена магнитным минимумом. Ее небольшая ширина указывает, что глубина источника аномалии не превышает 40 км. Эта величина близка к глубине основания земной коры в данной области. Конечно, источник может лежать и значительно ближе к поверхности. Он совпадает с предполагаемой рифтовой системой, связывающей разлом Мендосино в Тихом океане, у берегов Калифорнии, с системой сдвигов в восточной части США, на возможное существование которой указывали Дрейк и Вудвард [2]. Горы Юинта, одна из нескольких главных широтных структурных единиц США, находятся на одной линии с этой предполагаемой рифтовой зоной. В западной части США отмечается широкий магнитный максимум над массивом Сьерра-Невады, который сложен главным образом гранитами и гранодиоритами. Это свидетельствует о том, что на глубине породы имеют более основной состав, что согласуется с результатами, полученными при измерениях силы тяжести и сейсмических наблюдениях [4]. При этом скорость сейсмических волн и предполагаемая плотность позволяют говорить о том, что на глубине кора состоит из базальтов или габбро. Широкая аномалия северо-восточного простирания, проходящая вдоль границы штатов Мэриленд и Виргиния (фиг. 5, В), вероятно, отражает структурный элемент, расположенный на большой глубине в коре. Эта структура совпадает с частью линейной структуры на карте поля силы тяжести, которая простирается почти непрерывно от штата Мэн до штата Алабама [1].
Вышеприведенные данные в значительной степени коррелируются с данными измерения величины теплового потока на Североамериканском континенте. Согласно предварительным измерениям, величина теплового потока в Айове равна 1.0 мккал/(с·см2), тогда как в Провинции бассейнов и хребтов она превышает 2 мккал/(с·см2) (Г. Симмонс, личное сообщение). Можно полагать, что там, где тепловой поток имеет наиболее низкое значение, геотермы понижены и температура большей части пород находится ниже точки Кюри (температуры, которая устанавливает нижний предел намагничивания пород). В области самых интенсивных магнитных аномалий в штатах Небраска и Айова (фиг. 5, В) геотерма точки Кюри может лежать достаточно глубоко и включать некоторую часть материала верхней мантии, но на западе, особенно в Провинции бассейнов и хребтов, она может располагаться на значительно меньшей глубине, вследствие чего вся основная нижняя кора (пли большая ее часть) является немагнитной. Эта область представляет большой интерес с точки зрения изучения земной коры; считается, что именно здесь Восточнотихоокеанское поднятие продолжается на сушу, на Североамериканский континент.
Трансконтинентальная аэромагнитная съемка показала возможность использования данных съемок обширных территорий для составления литологических карт крупных единиц и определения главных простираний комплексов основания. Отфильтровывая коротковолновые аномалии, можно составить магнитную карту, которая будет в значительной степени отражать колебания литологического состава нижних частей земной коры, а возможно, даже и верхней мантии. Такие съемки могут дать полезные сведения для ряда исследований земной коры, таких, как Трансконтинентальная геофизическая съемка по Проекту верхней мантии. Получаемые в процессе этих исследований магнитные данные не только служат источником информации о структуре и литологии, но и могут оказать существенную помощь при интерпретации других геофизических данных, особенно о скоростях упругих волн в земной коре, электропроводности, вариациях плотности и тепловом потоке.
Среднеконтинентальный гравитационный максимум
Среднеконтинентальный гравитационный максимум (фиг. 6), впервые описанный Буллардом [6], представляет собой, вероятно, самую выдающуюся особенность на карте аномалий силы тяжести США. Это по существу непрерывная положительная гравитационная аномалия большой амплитуды, простирающаяся в юго-западном направлении на 1300 км, от озера Верхнего до Канзаса. Аномалия имеет максимальное значение 60 мгл и окаймлена с каждой стороны рядом минимумов, достигающих минимального значения — 100 мгл.
Детальная аэромагнитная съемка, покрывающая всю эту область, производилась на высоте 300 м над поверхностью земли по широтным маршрутам, отстоящим один от другого примерно на 1,6 км. Аэромагнитная карта, приведенная на фиг. 7, была составлена путем отбора контуров с интервалом 100 у из первоначальных данных (Кинг и Зиц, неопубликованные данные).
Геофизические данные, данные изучения поверхностных обнажений в районе озера Верхнего и данные, полученные при бурении, указывают на существование мощной толщи базальтов, выполняющих впадину приблизительно в 64 км шириной и 6,4 км глубиной, простирающуюся от озера Верхнего (где описаны обширные выходы базальтов Кивино) до Канзаса, В области, показанной на фиг. 7, базальты обнажаются только на очень небольшом участке в юго-западном Висконсине (северо-восточный угол карты). Остальная площадь занята осадочными породами, мощность которых постепенно увеличивается к югу, достигая максимума (~1500 м) в Небраске. Присутствие базальтов в докембрии было подтверждено бурением в Миннесоте и Айове, где одиннадцать скважин достигли базальтов. Базальтовая толща ограничена с обеих сторон крутыми сбросами и окаймлена серией удлиненных бассейнов, выполненных красными обломочными песчаниками мощностью 1.6 или 3,2 км [8].
Геофизические данные указывают, что потоки базальтов были впоследствии нарушены разломами и смяты в складки. Желоб, вероятно, представляет собой главный рифт в древней докембрийской коре и. по-видимому, не совпадает с более древними структурами. Несколько крупных магнитных аномалий эллиптической формы (одна в Миннесоте вблизи Миннеаполиса и три в Айове к юго-востоку от Форт-Доджа, Одубопа и Омахи), очевидно, отражают присутствие обломочных пород позднего кивино, которые выполняют углубления на поверхности базальтовых потоков.
Аэромагнитные и гравиметрические данные, полученные в районе озера Верхнего, позволяют предположить, что базальтовые потоки кончаются на севере, где-то в западной части озера Верхнего. Они. вероятно, не продолжаются в Канаду и не образуют изгибов, которые могли бы обусловить большой максимум силы тяжести в штате Мичиган. Однако в юго-восточной Небраске наблюдается резкое изменение в распределении магнитных аномалий, указывающее, что базальтовые потоки резко обрываются в этой области. Это подтверждается многочисленными данными, полученными при бурении [3] и свидетельствующими о том, что ограниченная область базальтов в северо-восточном Канзасе окружена преимущественно гранитными породами.
Используя совместно аэромагнитные и гравиметрические данные, можно получить большое количество геологической информации, например можно построить карту глубоко залегающей докембрийской поверхности и геологические разрезы, расположенные под прямым углом к простиранию области потоков. Аномалии силы тяжести в свободном воздухе на этом участке указывают, что кора здесь локально нескомпенсирована из-за присутствия огромного объема базальтов на ее поверхности. Однако аномалия в свободном воздухе для района, сложенного как базальтами, так и окаймляющими обломочными породами, усредняясь, сводится к нулю, откуда следует, что в пределах большой области кора скомпенсирована.