Работа основана па измерениях, выполненных автором и его помощниками с помощью гравиметров Ла-Коста и Ромберга. Среднеквадратичная погрешность измерения силы тяжести при использовании навигационной системы Лоран А равна ±5,5 мгл. При использовании системы Лоран С она несколько ниже. Некоторые из рассмотренных аномалий были измерены Береговой и Геодезической службой США с ошибкой в пределах 5—10 мгл.
В работе описаны следующие территории: 1) район вблизи побережья северной Калифорнии, особенно восточный уступ разлома Мендосино; 2) район возле орегонского побережья, включая окраину континента, примыкающую абиссальную равнину Каскадия и область подводных хребтов и трогов к западу от равнины Каскадия; 3) Гавайский архипелаг и его северное продолжение в Тихом океане.
Аномалии в свободном воздухе
Для больших площадей, где рельеф выражен слабо, аномалии в свободном воздухе, как и следовало ожидать, указывают на существование почти полного изостатического равновесия. Это хорошо видно при сопоставлении районов ровного рельефа возле побережья северной Калифорнии и Орегона (фиг. 1) с соответствующими гладкими полями почти нулевых аномалий в свободном воздухе, показанными на фиг. 2 и 3. Аналогнчные результаты получены для района к северу от Гавайских островов.
На фиг. 2 видно, что почти полное изостатическое равновесие характерно для территории к северо-западу и югу от восточной части уступа Мендосино (уступ на фиг. 2 и 3 представлен изолиниями широтного простирания к западу от мыса Мендосипо, Калифорния). Почти полное изостатическое равновесие отмечается для глубоководной равнины Каскадия к западу от побережья Орегона (центральная и северная части фиг. 3). Гавайские острова, как следует из фиг. 4, не уравновешены; только северная область находится приблизительно в изостатическом равновесии. Фиг. 5 и 6 показывают, что к северу от Гавайских островов вдоль профиля по меридиану 161° з. д. равновесие осуществляется почти полностью. Такие же почти нулевые аномалии в свободном воздухе отмечены возле побережья Вашингтона и Британской Колумбии в большинстве глубоководных районов с достаточно плоским рельефом (Коуч, личное сообщение).
Большая часть побережья Орегона (фиг. 3) и северной Калифорнии (фиг. 2), где аномалии малы, также находится почти в равновесии. Делингер и др. [1], анализируя профиль, пересекающий восточную часть уступа Мендосило, пришли к выводу, что уступ образован двумя соприкасающимися блоками мантии различной плотности, перекрытыми сверху слоями коры, которая по обе стороны от уступа находится в изостатическом равновесни. К западу от равнины Каскадия (фиг. 1) находится погребенный горный хребет, протягивающийся к северо-востоку, на что указывают локальные аномалии в свободном воздухе (фиг. 3). Это и есть область подводных хребтов и трогов, описанная Менардом [4]; она включает хребет Хуан-де-Фука [11]. Аномалии вдоль горной системы изменяются в зависимости от рельефа, по средняя аномалия близка к нулю. Это позволяет предположить, что в целом горная система находится почти в изостатическом равновесии. Равновесие заметно нарушается возле островов и больших подводных гор вдоль Гавайского архипелага. Аномалии в свободном воздухе в этих участках очень велики (фиг. 4), что указывает па присутствие большого излишка массы вдоль архипелага. О больших положительных аномалиях, пересекающих Гавайские острова и архипелаг, сообщалось ранее [10, 12, 13, 14, 9].
Аномалии в свободном воздухе в океане, как правило, почти соответствуют локальным вариациям рельефа дна, хотя известны исключения, особенно в тектонически и вулканически активных районах. Возникновение аномалий, видимо, связано, по крайней мере частично, с изменениями геологического строения. Обычно геологическое строение оказывает меньшее влияние, чем рельеф, из-за сильного различия плотностей между водой и породами дна (приблизительно 2,8/1,0 = 1,8 г/см3), которое в шесть раз или более превышает различие плотностей в породах (например, 2,84/2,67 = 0,27 г/см3). Однако соответствующие изменения геологического строения могут быть значительными и захватывать нижнюю часть коры и верхнюю мантию.
В общем между аномалиями в свободном воздухе и рельефом дна существует прямая корреляция; на фиг. 5 и 6 показано это соотношение для северной части Тихого океана. Большинство поднятий па дне (обычно под-водпые горы) характеризуется положительными гравитационными аномалиями в свободном воздухе. Однако в некоторых случаях аномалии пе кор-релируются с рельефом.
На профилях через восточную часть уступа Мендосино (фиг. 7 и 8) видно совместное влияние геологического строения и рельефа на гравитационные аномалии. Эти гипотетические двумерные разрезы коры [1] составлены с учетом рельефа дна, данных сейсмических наблюдений с помощью отраженных волн и аномалий в свободном воздухе. Как показывает сравнение карт аномалий Буге [1] и аномалий в свободном воздухе (фиг. 2) для этой территории, большая часть аномалии на профиле создается рельефом дна. Вариации аномалии Буге поперек уступа составляют 25 мгл, в то время как соответствующая вариация аномалий в свободном воздухе равна 160 мгл. Таким образом, аномалии Буге, а следовательно, и вариации геологического строения ответственны лишь за V5 величины аномалии в свободном воздухе над уступом; остальное создается вариациями рельефа. Фиг. 7 и 8 показывают, насколько большими могут быть геологические изменения поперек уступа. Делингер и др. [1] рассмотрели другие интерпретации этих разрезов, в основу которых положено представление о незначительных изменениях геологического строения.
На фиг. 1 видно, что высота горного хребта (области подводных хребтов и трогов), который протягивается на северо-запад, довольно изменчива. В среднем хребет возвышается над прилегающей глубоководной равниной на 0,5—1 км. К нему относятся большие подводные горы и одна значительная впадина. Подводная гора Кобб, вершина которой расположена на 40 м ниже уровня моря (46° с. ш., 130°25' з. д.), имеет аномалию в свободном воздухе, равную 175 мгл (фиг. 3). Разлом Бланко, простирающийся на юго-восток по направлению к мысу Бланко на орегонском побережье, проявляется как океаническая впадина; около 44°25' с. ш. и 130°10' з. д. он имеет аномалию, равную —40 мгл.
Величина большинства аномалий в свободном воздухе вдоль горного хребта не превышает 40 мгл; они приблизительно соответствуют рельефу. Несмотря на большую высоту хребта, величина средней аномалии в свободном воздухе близка к нулю. Такое значение средней аномалии может означать, что под хребтом залегает компенсирующий материал пониженной плотности. Пять сейсмических профилей, полученных методом отраженных волн и располагающихся поперек хребта [7], показывают, что возле центральной части хребта кора необычно тонка (7 км, включая глубину воды 2,7 км) и что в кровле мантии сейсмические скорости имеют низкое значение. Низкая скорость свидетельствует о пониженной плотности подстилающего вещества мантии под хребтом. Предварительные данные по аномалиям Буге (не опубликованы) указывают на присутствие минимума аномалий вдоль осевой части горной системы.
Глубоководная равнина Каскадия возле побережья Орегона (фиг. 1) характеризуется довольно сглаженным рельефом за счет осадочного покрова. Величина аномалий в свободном воздухе (фиг. 3) здесь близка к нулю, а гравитационное поле очень гладкое, что указывает на однородность геологического строения под равниной. Такой вывод подтверждается результатами сейсмического зондирования [7].
Вдоль окраины материка к западу от побережья Орегона (фиг. 1) аномалии в свободном воздухе на океанической стороне, как им и положено, отрицательны, а на шельфовой стороне — положительны. Это обусловлено влиянием окраины континента и переходом от континентальной к океанической коре. Для определения вариаций геологического строения при переходе от океана к континенту были проделаны соответствующие вычисления для переходной зоны, которые связали гравитационные аномалии с результатами сейсмических исследований по методу отраженных волн [2].
Вдоль орегонского шельфа (фиг. 1 и 3) между побережьем и материковым склоном прямо на север от мыса Бланко протягиваются большие отрицательные аномалии в свободном воздухе. Эти линейные отрицательные аномалии возникают на фоне относительно сглаженного рельефа и обусловлены мощным слоем низкоскоростных осадочных пород, расположенных между побережьем и материковым склоном.
Аномалии в свободном воздухе для района Гавайских островов в противоположность таким же аномалиям для зон близ побережья Орегона и Калифорнии довольно сильно зависят от регионального рельефа и геологического строения. На фиг. 4 показаны большие положительные аномалии возле Гавайских островов, которые продолжаются далее, на территории островов, в виде больших положительных аномалий Буге [12] (Буллард, личное сообщение). Эти положительные аномалии обусловлены не только рельефом. Они указывают также, что острова представляют собой большую избыточную массу.
На фиг. 9 приведен упрощенный гипотетический разрез коры, пересекающий архипелаг по меридиану 161°20' з.д., к западу от острова Кауаи. Этот разрез соответствует рельефу дна и величинам аномалий в свободном воздухе. Строение коры принято в соответствии с данными, полученными по методу отраженных волн [8] к востоку от профиля. Изменения геологического строения представлены в виде изменений мощности слоя, а не плотности слоев. При этом допущении разрез коры показывает, что под архипелагом мантия залегает неглубоко, что соответствует большим положительным аномалиям (+175 мгл). Глубина залегания мантии (около 18 км) очень близка к глубинам, полученным для других частей архипелага [10, 6, 14, 9]. Для существования изостатического равновесия при том же соотношении плотностей глубина залегания мантии должна быть равна 30 км.
На фиг. 9 в северной части архипелага видна узкая океаническая впадина (22°10' с. ш.). которая не сопровождается местной отрицательной аномалией в свободном воздухе. Для того чтобы такая впадина могла существовать (без соответствующей отрицательной аномалии), она должна быть скомпенсирована тяжелыми подстилающими породами. Компенсирующий материал должен иметь повышенную плотность и находиться либо в коре, либо в мантии. Возможно и другое объяснение, а именно, что сама мантия простирается вверх почти до дна океана. На фиг. 9 показан последний вариант.
Вдоль всей северной части архипелага протягивается широкая отрицательная аномалия в свободном воздухе (фиг. 4). К северу от островов Оаху и Мауи эта аномалия связана с глубоким океаническим рвом. Но к северо-западу от острова Кауаи (фиг. 4) отрицательная аномалия (22°40' с. ш.) не ассоциирует с понижением в рельефе. Здесь она обусловлена лишь геологическими условиями, вероятно, тем, что под рвом, как показано на фигуре, мантия залегает довольно глубоко. По-видимому, отрицательная аномалия к северу от островов Оаху и Мауи создается одновременно и относительно глубокой мантией и эффектом рва.
К северу от этого рва на северо-запад протягивается Гавайская дуга, которая характеризуется положительными аномалиями в свободном воздухе (от +20 до +50 мгл на фиг. 4). Сейсмические исследования по методу преломленных волн показали [8], что глубина залегания мантии вдоль Гавайской дуги относительно невелика и что скорости в нижней части коры (6,7—7,0 км/с) и в верхней мантии (8,0—8,1 км/с) довольно типичны. Это в свою очередь говорит о том, что вдоль дуги плотности пород коры и мантии также имеют нормальные значения. Положительные аномалии в свободном воздухе можно объяснить высоким залеганием мантии, имеющей нормальное строение. Действительно, мантия, залегающая на 2 км выше, чем обычно, должна дать положительную аномалию величиной от 10 до 30 мгл в зависимости от перепада плотностей и формы дуги. Следовательно, вдоль островной дуги наименьшая глубина залегания мантии будет там, где аномалии максимальны (равны +50 мгл), т. е. в районе с координатами 23°20' с. ш., 156° з. д.
Заключение
На аномалии в свободном воздухе оказывают влияние как рельеф, так и геологическое строение, по крайней мере в тех районах Тихого океана, которые были описаны выше. Изменения геологического строения могут иметь довольно сложную природу, охватывать всю кору и достигать верхней мантии. Аномалии в свободном воздухе часто коррелируются с местным рельефом, но известны и многочисленные исключения. Как правило, с региональным рельефом аномалии в свободном воздухе не связаны; их соотношение изменяется с изменением размера площади и зависит от степени изостатического равновесия региона. В области подводных хребтов и трогов к западу от побережья Орегона и северной Калифорнии подводный горный хребет создает местные, но не региональные аномалии в свободном воздухе вследствие существования в мантии под этим хребтом слоя с относительно низкой плотностью. В районе Гавайских островов горы, формирующие архипелаг, создают большие региональные аномалии вследствие того, что весь регион в целом не находится в состоянии равновесия. Поперек восточной части уступа Мендосино, где два соприкасающихся блока коры и мантии, по-видимому, находятся почти в полном изостатическом равновесии, довольно большие аномалии обусловлены местным рельефом и изменениями геологического строения, которые захватывают и мантию.
Таким образом, можно считать, что в Тихом океане местный рельеф не может служить надежным индикатором для оценки аномалий в свободном воздухе. Еще более ненадежен региональный рельеф, даже в тех случаях, когда степень изостатической уравновешенности определена.
Анализ гравитационных аномалий представляет собой надежный метод оценки мощностей любых слоев с аномальной плотностью, которые существуют в верхней мантии, в тех регионах, где мощность коры и скорости в мантии были предварительно определены сейсмическими методами.