Байкальский рифт

Глубинное строение земной коры и мантии Байкальского рифта по сейсмологическим данным

Байкальский рифт простирается более чем на 2500 км из Северо-Западной Монголии через горные сооружения Восточной Сибири до Южной Якутии (см. рисунок). Его юго-западное окончание совпадает с двумя крупными межгорными впадинами меридионального простирания: Дархатской и Хубсугульской, ориентированными практически под прямым углом к западному флангу рифтовой системы. Восточный фланг, состоящий также из субширотно простирающихся структурных элементов, достигает западной части Станового нагорья. Общее структурное положение и развитие Байкальского рифта определяется в первую очередь его связью с зоной сочленения двух главных имеющих контрастные термомеханические свойства литосферных плит Восточной Сибири: докембрийской Сибирской платформы и Саяно-Байкальского подвижного пояса.

Байкальская система рифтогенных впадин и поднятий начала формироваться около 65–60 млн лет назад. На ранней стадии преобладал медленный рифтинг (от палеоцен-эоцена до среднего плиоцена). В среднем плиоцене медленный рифтинг сменился быстрым, который, по-видимому, сохраняется и в настоящее время. Историческим ядром рифтовой зоны является Южно-Байкальская впадина (см. рисунок), где вскрытие литосферы началось с образования крупного осадочного бассейна. Развития рифтогенеза в олигоцене и миоцене происходило в обоих направлениях от Южного Байкала. Самые крайние на флангах впадины: Токкинская на северо-востоке и Дархатская и Бусингольская на юго-западе – появились не раньше плиоцена в связи с началом стадии быстрого рифтогенеза. Рассматриваемая территория тектонически активна на протяжении большей части кайнозоя, что проявляется в интенсивном неоген-четвертичном вулканизме. Для позднего кайнозоя также характерна высокая сейсмическая активность.

В настоящее время существует несколько гипотез образования Байкальского рифта, которые можно условно разделить на три группы. В гипотезах пассивного рифтогенеза ведущая роль отводится внешним факторам: влиянию коллизии Индостанской и Евразийской литосферных плит или его сочетанию с воздействием субдукции Тихоокеанской плиты. В гипотезах активного рифтогенеза в качестве основной причины рассматриваются особенности глубинного строения региона: наличие мантийного диапира или астеносферного выступа. Компромиссные гипотезы синтезируют два противоположных взгляда на ведущую роль местных и внешних геодинамических механизмов формирования Байкальского рифта. В них предполагается, что в Прибайкалье действует как местный мантийный энергетический источник, приводящий к возникновению локальных тектонических сил растяжения литосферы в направлении северо-запад – юго-восток, так и глобальное сжатие земной коры в направлении север-северо-восток – юг-юго-запад, вызванное столкновением Индостана и Евразии.

Исследованиям глубинного строения рассматриваемой территории посвящено довольно много работ, использующих различные сейсмологические методы (глубинное сейсмическое зондирование (ГСЗ), методы функции приемника и сейсмической томографии по объемным и поверхностным волнам), основные результаты которых сводятся к следующему.
1. Земная кора Байкальского рифта имеет неоднородное слоисто-блоковое строение, что отражается в особенностях сейсмического процесса. Осадочный слой практически отсутствует под межвпадинными горными перемычками и имеет мощность от 1 до 10 км под рифтовыми впадинами. Минимальными скоростями сейсмических волн во всей толще коры характеризуется юго-западный фланг рифта, а на глубинах до 20 км локальный минимум скоростей также приурочен к Баргузинской, Кичерской и Верхнеангарской впадинам. По вертикали особенностью строения коры является наличие волновода в интервале глубин 11–22 км с понижением скорости P- и S-волн на 0.2–0.3 км/с относительно вмещающей среды. Мощность земной коры изменяется от 35 до 55 км, наибольшее утолщение коры приурочено к юго-западному флангу рифта. Единого утонения коры вдоль всей оси рифтовой зоны не наблюдается.
2. Верхняя мантия под Байкальским рифтом от подошвы коры до глубины около 200 км характеризуется существенной неоднородностью как по вертикали, так и в горизонтальном направлении. Минимальные скорости сейсмических волн в этом интервале глубин соответствуют его юго-западному флангу, в то время как под центральными районами и северо-восточным флангом они плавно понижаются от Сибирской платформы к Забайкалью. По вертикали особенностью глубинного строения является наличие слоя с пониженными значениями скоростей сейсмических волн (Vp~7.8 км/с), мощность которого составляет от 0 до 40 км под различными частями рифта. Данный слой отделен от астеносферы достаточно мощной (в первые десятки километров) толщей пород со скоростями, типичными для соседних областей Сибирской платформы. Оценки мощности литосферы согласно различным авторам под разными частями рифта составляют от 50 до 160 км. Единого утонения литосферы вдоль всей оси рифта, как и в случае с земной корой, не обнаружено.
3. Азимутальная и вертикальная анизотропия верхней мантии под Байкальским рифтом максимальна в диапазоне глубин от подошвы коры до 150 км. В этом диапазоне глубин наибольшие значения коэффициента вертикальной анизотропии (α до 6%) наблюдаются на флангах рифта, в то время как под Южно-Байкальской и Северо-Байкальской впадинами преобладают такие же значения α, как и под соседними областями Сибирской платформы. С увеличением глубины до 250 км на северо-восточном фланге появляется обширная область, распространяющаяся на смежные территории Забайкалья, где VSV>VSH, что может свидетельствовать о наличии здесь вертикальных мантийных течений. Результаты исследований расщепления SKS-волн и поверхностно-волновые модели показывают, что существуют два преимущественных направления максимальной скорости S-волн: вкрест простирания рифтовых структур преимущественно в диапазоне глубин 50–150 км и параллельное рифтовым структурам на больших глубинах.

С геодинамической точки зрения результаты проведённого обзора как чисто сейсмологических (отсутствие единого утонения коры и литосферы вдоль всей оси рифта), так и других геофизических исследований (невысокие значения плотности поверхностного теплового потока и температур в мантии, довольно большие глубины нижней границы литосферных магнитных источников, оценки мощности литосферы по гравиметрическим и геоэлектрическим данным), а также некоторые геологические данные (практически полное отсутствие современного вулканизма, данные по мантийным ксенолитам) противоречат гипотезам активного рифтинга. Однако существующие в настоящее время модели глубинного строения не позволяют однозначно сделать выбор между чисто пассивным и смешанным механизмами образования Байкальского рифта. Для решения этого вопроса необходимо проведение дальнейших более детальных геофизических исследований.

В настоящее время автором ведутся и планируются исследования глубинного строения Байкальского рифта по следующим направлениям:
1. Изучение вертикальной анизотропии верхней мантии по данным поверхностных волн.
2. Построение трехмерной модели строения коры юго-западного фланга и центральной части рифта методом локальной томографии по объемным волнам.
3. Исследования глубин залегания литосферных магнитных источников на северо-восточном фланге рифта.
4. Детальные исследования строения земной коры Северо-Муйского района Байкальского рифта по данным Муяканской последовательности землетрясений (2014–2015 гг.).
Молодых исследователей, в том числе студентов, заинтересованных в совместном проведении данной работы, прошу обращаться на e-mail: aleirkmail.ru.

Подготовлено по данным статьи:
Середкина А.И. Современное состояние исследований глубинного строения земной коры и мантии Байкальского рифта по сейсмологическим данным // Физика Земли. 2021. № 2. С. 46–70. doi:10.31857/S0002333721020113 (Seredkina A.I. The state of the art in studying the deep structure of the Earth’s crust and upper mantle beneath the Baikal rift from seismological data // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2021. V. 57. No 2. P. 180–202. doi:10.1134/S106935132102011)