Геологи вивчають Землю для того, щоб її знати та розуміти
У третій частині циклу публікацій Олександра Митрохина викладаються сучасні уявлення про геологію найменш дослідженого континенту Землі. Автор розповідає про те, чим займаються геологи в Антарктиці, для чого вони досліджують рельєф та глибинну будову антарктичного суходолу, його льодовиковий покрив та підльодовикове ложе, мінерали, гірські породи та викопні рештки, сучасні та давні геологічні процеси. Читачі дізнаються, що дві головні фізико-географічні області Льодового континенту – Східна та Західна Антарктида – настільки не схожі одна з одною, що фактично можуть вважатися двома різними частинами полярного Світу. Першопричини цієї різниці вбачаються як у сучасних особливостях геологічної будови так і у попередній історії геологічного розвитку Східної та Західної Антарктиди.
Є багато альтернатив кризі та холоду
але ми обираємо кригу та холод…
ЯК ТА ДЛЯ ЧОГО ДОСЛІДЖУЮТЬ ГЕОЛОГІЮ АНТАРКТИДИ
Переважна більшість людей далеких від геології вважають, що професія геолога пов’язана виключно із задоволенням потреб людства у мінеральних ресурсах. Дехто також знає про застосування інженерно-геологічних досліджень для забезпечення будівництва, а також про моніторинг небезпечних геологічних явищ. Усім цим дійсно займаються геологи-виробничники. Але, крім них, є ще геологи-науковці і їх професійна діяльність настільки ж відрізняється від виробничої, наскільки, приміром, наукові дослідження команди Жак-Ів Кусто різняться з роботою промислових рибалок. Головною метою науковців є здобуття нових знань, натомість виробничники забезпечують практичне використання цих знань…
Рис.1. Геолог-науковець працює на островах Даннеброг з архіпелагу Вільгельма у Західній Антарктиці, березень 2020 року. Фото Володимира Бахмутова
Що стосується Антарктиди, то наразі її геологію досліджують саме геологи-науковці. Ця особливість обумовлена обмеженнями, які передбачаються діючою системою Договору про Антарктику. Зокрема, стаття 7 «Протоколу по охороні навколишнього середовища» забороняє любу діяльність, що пов’язана з мінеральними ресурсами, за виключенням наукових досліджень. То для чого ж геологи досліджують Антарктиду, якщо видобуток мінеральних ресурсів там заборонений?
Автору, як науковцю, не складно дати відповідь на це питання – досліджую для того, щоб знати та розуміти. Щоправда, така відповідь задовольнить далеко не кожного, бо виникають інші питання: який сенс у таких знаннях? чи потрібні вони нашій країні? чи на часі вони саме зараз? Спробуємо пояснити на прикладі. Уявіть собі, що Ви мешканець великого міста, живете у гарному будинку, біля якого є все, чого потребує цивілізована людина. Щоправда, при цьому Ви не знаєте ні свого будинку, ні засобів його життєзабезпечення, ні найближчої вулиці, ні самого міста з усіма благами цивілізації. І взагалі нічого не знаєте про своє навколишнє оточення. Для більшості з нас ситуація виглядає дивною, навіть – фантастичною. Тим не менше, це звичайний стан новонародженої дитини. Напевно, у жодного з нас не виникає питання, для чого дитина прагне пізнавати оточуючий Світ. Людство – та сама дитина, можливо – підліток, а його місце проживання – наша чудова планета, Земля. Усебічні знання про Землю та, загалом, про навколишній Світ є необхідною запорукою нашого життя та добробуту. Науки про Землю, до яких належить і Геологія, забезпечують нас такими знаннями. Причому, саме Геологія дає уявлення про походження та історію розвитку нашої планети, про її склад та внутрішню будову, про природні процеси, які неупинно змінюють поверхню Землі та її надра і, нарешті, про ті зміни, які відбувалися з земними мешканцями, починаючи від зародження життя і до наших часів.
Зрозуміло, що вивчати це коло питань неможливо, знаходячись в одній точці Земної кулі, в одній країні, навіть – на одному континенті. До тих пір, доки є місця, яких ретельно не дослідили геологи, Земля не може вважатися вивченою та час від часу може приносити людству неочікувані «сюрпризи», і не завжди приємні. Рух літосферних плит, який неупинно змінює континенти та океани, горотворення, морські трансгресії та регресії, землетруси та вулканічні виверження, цунамі та повені, фізичне та хімічне вивітрювання, ерозія земної поверхні, зсуви та обвали, зледеніння та наступне танення льодовиків, зміни клімату – це лише частина тих процесів, що неупинно змінюють навколишнє середовище, безпосередньо впливаючи на наше життя.
Антарктида, яка за розмірами є більшою ніж Європа чи Австралія, досліджена набагато гірше за усі інші континенти. Значна віддаленість від місць постійного проживання людства, а також важко-досяжність та «негостинність», призвели до того, що Льодовий континент відкрили та почали досліджувати значно пізніше ніж інші. Зокрема, геологічні дослідження тут до середини ХХ сторіччя мали доволі фрагментарний та несистематичний характер. Лише впровадження сучасних транспортних засобів, аерокосмічних зйомок та геофізичних досліджень дали геологам можливість вивчати внутрішньоконтинентальні території Антарктиди та її підльодовикове ложе. Зокрема, з космічних апаратів можна отримати зображення поверхні Льодового континенту в оптичному та інфрачервоному діапазоні. Такі мультиспектральні зйомки дають змогу виявити виходи гірських порід з різними параметрами відбиваючої здатності та ІЧ-випромінювання. Дані про потужність льодовикового покриву та підльодовиковий рельєф Антарктиди отримують за допомогою чутливих георадарів, що встановлюються на літаках. Аеромагнітна та аерогравітаційна зйомки дають уявлення про магнітність та щільність гірських порід як на поверхні, так і під льодовиковим покривом. За результатами вивчення сейсмічних хвиль отримують інформацію про неоднорідності складу земної кори та мантії.
Тим не менше, навіть озброївшись сучасними технологіями, геологи мають виконати польове дослідження усіх виявлених виходів гірських порід. Відомо, що біля 99% поверхні Антарктиди вкрито потужним льодовиковим покривом. Відслонення, тобто корінні виходи гірських порід, які мають досліджувати геологи, розповсюджені вкрай неоднорідно, тяжіючи до морських узбереж та оточуючих островів. У внутрішніх частинах континенту вільними від снігу є схили Трансантарктичних гір та окремі гребені найвищих гірських хребтів. Місцями над льодовиковою поверхнею виступають нунатаки – скелясті виходи гірських, що з усіх боків оточені льодом.
Рис.2. Нунатак Іржаві Скелі височіє над Bussey Glacier. Дві цятки на верхівці нунатаку – постаті українських геологів, які дослідили його у березні 2020 року. Фото Ігоря Дикого.
Робота геолога розпочинається задовго до того як він попадає у антарктичну експедицію. Перед польовими дослідженнями він вивчає наявні географічні та геологічні карти, аерофотознімки, матеріали космічних зйомок. Робиться це для того, щоб виявити відслонення гірських порід, визначити їх місцезнаходження, просторове поширення та доступність, намітити майбутні геологічні маршрути та пункти спостережень. В район досліджень антарктичні експедиції звичайно доправляються спеціальними кораблями, пристосованими для плавання у льодовитих морях. Літаки, гелікоптери та всюдиходи дають можливість вивчати найвіддаленіші ділянки антарктичного суходолу.
Українські антарктичні експедиції мають власну наукову станцію «Академік Вернадський», на якій мешкають та працюють наші полярники. Станція розташовується на невеличкому острові, тому геологам доводиться використовувати для проведення своїх маршрутів додаткові плавзасоби. Крім великих кораблів, у великій нагоді стають туристичні яхти та надувні моторні човни «Зодіаки». Останні дуже допомагають українським науковцям, що мають працювати в мілководних морських акваторіях з чисельними островами, мілинами та підводними скелями. Геологічні маршрути можуть бути як одноденними, так і більш тривалими. Під час одноденного маршруту, одного або двох геологів висаджують на суходіл, а після закінчення роботи забирають у заданому пункті, куди «Зодіак» викликається за допомогою радіостанції. Більш складні багатоденні маршрути потребують влаштування польових таборів, куди доправляється від двох до п’яти науковців, яких споряджають наметами, спальними мішками, запасним одягом, похідною кухнею, посудом, харчами, науковим обладнанням, тощо.
Рис.3. Польовий табір геологів на островах Ведель, березень 2019 року
Пересування у маршрутах може відбуватися пішки, на лижах або снігоступах. За необхідності використовується альпіністське спорядження – кішки, льодоруби, страхувальні мотузки та інше. Кожний виявлений вихід гірських порід може стати пунктом геологічних спостережень, який потрібно ретельно дослідити. По перше, важливо з’ясувати, що це – корінне відслонення чи може брили, які зісковзнули по сусідньому гірському схилу або, взагалі, здалека принесені льодовиком. За допомогою GPS навігатора визначається точні географічні координати пункту спостережень, вимірюється висота над рівнем моря та протяжність виходу. Геолог з’ясовує: які саме гірські породи складають виявлений вихід, скільки їх – одна, дві чи більше. Попередньо визначивши назви гірських порід, він описує їх характерні особливості – забарвлення, мінеральний склад, внутрішню будову, щільність та міцність.
Спеціальними приладами можуть вимірюватись магнітні властивості та радіоактивність гірських порід і, навіть, визначатись вміст окремих хімічних елементів. Попутно, намагаються виявити місця з цікавою мінералізацією та викопні рештки. За необхідності відбираються зразки гірських порід, мінералів та палеонтологічні знахідки. У випадку корінного відслонення визначаються природні умови залягання кожної гірської породи та ідентифікуються складені ними геологічні тіла. Наприклад, це може бути пласт осадової породи, застиглий вулканічний потік, інтрузивне тіло, мінералізована жила, тощо. Гірським компасом вимірюється просторова орієнтація геологічних тіл.
Отримані результати наносяться на топографічну карту, записуються у польовий щоденник або на диктофон, найбільш цікаві місця фотографуються. Значні за розміром виходи гірських порід можуть додатково обстежуватись та фотографуватись за допомогою дронів. Після закінчення експедиції усі зібрані матеріали мають впорядковуватися та оброблятися. Відбувається лабораторне дослідження зібраних зразків, заключне дешифрування космознімків, інтерпретація геофізичних матеріалів, комп’ютерна обробка графічної та цифрової інформації, створення геологічних карт, колекцій, каталогів та баз даних. Результати досліджень публікуються у спеціалізованих наукових виданнях. Вітчизняні геологи оприлюднюють свої наукові роботи в «Українському антарктичному журналі», «Геологічному журналі», «Мінералогічному журналі», «Геофізичному журналі», «Віснику Київського національного університету», а також у цілій низці закордонних видань.
Рис.4. Антарктичні зразки досліджуються в лабораторії ННІ «Інститут геології» Київського національного університету імені Тараса Шевченка.
ДВІ ЧАСТИНИ ПОЛЯРНОГО СВІТУ АНТАРКТИДИ
На багатьох сучасних географічних картах можна побачити, що Антарктида ділиться на дві нерівні частини – Західну та Східну. Первинно такий поділ було запропоновано американським географом Едвіном Свіфтом Белчем ще у 1902 році, тобто за часів, коли тільки починали формуватися уявлення про фізіографію Льодового континенту. Цей дослідник звернув увагу на те, що відомі на той час ділянки антарктичного суходолу концентруються в межах двох регіонів (Balch, 1902). Один з них лежить на південь від Південної Америки, інший – на південь від Австралії. Для першого Белч запропонував найменування West Antarctica, а для другого East Antarctica. Зазначимо, що первинно ці назви включали лише невеличкі частки Західної та Східної Антарктиди у їх сучасному розумінні. Зокрема, на складеній Белчем карті до Західної Антарктиди були віднесені лише Південна Шетландія, архіпелаг Палмера, а також Землі Луі-Філіпа, Данко, Греяма, Короля Оскара та Олександра-І. Натомість, до Східної Антарктиди увійшли Землі Вікторії та Вілкса. Примітно, що Землі Ендербі та Кемпа, хоча й зображені на згадуваній карті, але їх приналежність до Східної Антарктиди на той час не здавалася такою очевидною, як нині.
Пропозицію Белча підтримав відомий шведський геолог Отто Норденшельд. Це він першим увів сучасний принцип розмежування територій Західної та Східної Антарктиди за їх розміщенням у відповідній півкулі Землі (Nordenskjold and Andersson, 1905). Крім різниці у місцезнаходженні цих частин південно-полярного Світу, він зауважив на тому, що між ними існує величезна зовсім невивчена область, якої на той час не спромігся досягнути жоден мореплавець. З огляду на це, не виключалося, що Західна та Східна Антарктида можуть і не поєднуватись в одне ціле. Так само і Е.Белч (1909), на своїй більш пізній карті, хоча й значно збільшив території обох виділених ним частин антарктичного суходолу, але поєднати їх в один континент не наважився…
Тільки коли, для вивчення Льодового континенту почали використовувати авіацію, стало зрозумілим, що південніше Земель Греяма та Олександра-І знаходиться ще більший масив суходолу, вкритого кригою. Так, у 30-х роках ХХ сторіччя, на географічних картах Антарктиди з’явилися Землі Мері Берд та Елсверта. Щоправда не обійшлось і без помилок. Після перших антарктичних авіаперельотів, що були здійсненні у 1928 році Хьюго Вілкінсом, картографи ще довго позначали Землю Греяма (нинішній Антарктичний півострів) як групу островів, які відокремлювалися від континентального суходолу неіснуючою протокою Стефансона. Південніше цієї уявної протоки Вілкінсон побачив суходіл, який назвав Землею Херста, але наскільки вона простягається далі на південь з’ясувати не зміг. Джон Райміл – керівник Британської експедиції до Землі Греяма (1935-37) навіть збирався скористатися протокою Стефансона, щоб дістатися кораблем з моря Беллінсгаузена до моря Веддела (Rymile, 1939). Але було виявлено, що Вілкінс з літака прийняв за морську протоку великий вивідний льодовик. З’ясувавши це, учасники Британської експедиції до Землі Греяма все ж таки здійснили запланований перехід з моря Беллінсгаузена до моря Веддела, але не кораблем по морській протоці, а по льодовику на собачих упряжках! Дослідники саме цієї експедиції остаточно довели, що Земля Олександра-І – це величезний острів, а Земля Греяма є частиною континентального суходолу Антарктичного континенту. Таким чином, Антарктида поступово набувала тих контурів, які ми маємо на сучасних картах. Її ж підльодний рельєф та морфологія дна навколишнього Південного океану виявися значно складнішими та цікавішими ніж могли уявити мандрівники Героїчної епохи освоєння Антарктики (рис.5).
Ще й зараз від декого можна почути сумніви, чи можемо ми вважати Західну Антарктиду частиною континенту, якщо значна площа її підльодовикового ложа знаходиться нижче рівня моря і у випадку танення льодовикового покриву замість суцільного суходолу може з’явиться величезний острівний архіпелаг. Мусимо зазначити, що загалом-то деякі острівні архіпелаги можуть бути частинами сусідніх континентів від яких відділяються лише мілководними протоками. За сучасними уявленнями, континентальні маси включають не лише суходіл, а й дно суміжних шельфових морів, що формуються на затоплених окраїнах континентів, а також континентальний схил та підніжжя. З геологічної точки зору між континентами та океанами є більш значима відмінність ніж просто між великими масивами суходолу та ще більшими водоймами. Нагадаймо, що місячні океани являють собою величезні западини у рельєфі, які взагалі позбавлені води. Принципова різниця між континентом і океаном полягає у складі та товщині земної кори. У свою чергу саме товщина земної кори визначає існування континентальних підвищень та океанічних западин. Так ось, Західна Антарктида, як і Східна, має континентальний тип земної кори (рис.5). Тобто, це дві частини єдиного континенту, незалежно від того, як розташовується їх підльодовикове ложе по відношенню до сучасного рівня моря.
Тим не менше, поділ Антарктиди на дві частини є досить вдалим. Східна та Західна Антарктида відрізняються одна від одної не лише своїм місцезнаходження в різних півкулях Землі. Сама історія їх відкриття та дослідження, а також ціла низка фізіографічних та геологічних характеристик, засвідчують відмінність Східної та Західної Антарктиди. Автор візьме на себе відповідальність висловити думку, що ці дві фізико-географічні області Льодового континенту, настільки відрізняються особливостями льодовикового покриву, підльодним рельєфом та геологічною будовою, що можуть вважатися двома різними частинами Світу, як, наприклад – Європа та Азія, або ще краще – Австралія та Океанія. Але про це далі…
Рис.5. Рельєф та товщина земної кори Льодового континенту. Умовні позначки: GSM – підльодні гори Гамбурцева; DT – підльодний каньйон Денмана; NVL – Земля Вікторії; WARS – Західно-Антарктична рифтова система; MBL – Земля Мері Берд; EWM – гори Елсвета-Вітмора; HN – Хааг нунатак; TI – острів Терстона; АР – Антарктичний півострів. Картографічні зображення запозичені з наступних джерел: Seabed 2030 mapping the world ocean floor; Antarctic Glacier.org BEDMAP 2; An Meijian et al., 2015.
СХІДНА АНТАРКТИДА
Східна Антарктида охоплює територію, що лежить на схід від моря Ведделла і, одночасно, на захід від моря Росса. Це біля двох-третин загальної площі континенту. Більша частина цієї території вкрита льодовиками. У внутрішніх районах поверхня льодовикового покриву Східної Антарктиди сягає 3000-4000 м над рівнем моря. Тут розташоване найбільше у світі льодовикове плато. У напрямку до узбережжя материка льодовикова поверхня знижується, спочатку – дуже поступово до 2000 м, потім – усе більш і більш різко. При наближенні до узбережжя на поверхні льодовика починають проявлятися нерівності корінного (підльодного) рельєфу. При цьому, над льодовиком виступають так звані нунатаки, які являють собою окремі вершини та гребені гірських хребтів, що з усіх боків оточені льодом. Висота найбільших з них перевищує 3000 м над рівнем моря.
Середня товщина льодовикового покриву Східної Антарктиди складає 2146 м, максимальна ж перевищує 4700 м (Encyclopedia of the Antarctic, 2007). Корінне ложе льодовиків Східної Антарктиди має доволі мінливий рельєф. Під товщею льоду присутні широкі рівнини та протяжні гірські хребти, з абсолютними висотами від 0-500 м до 3000 м над рівнем моря, відповідно. Майже в центральній частині Східної Антарктиди розташовані підльодовикові гори Гамбурцева довжиною 1200 км та висотою до 3390 м над рівнем моря. За своїми розмірами ця гірська система подібна до Альп. Частина підльодовикового ложа занурена дещо нижче рівня моря. Глибина цих западин по більшості не перевищує -300-500 м, хоча деякі є значно глибшими. Наприклад, нещодавно під вивідним льодовиком Денмана було виявлено вузький підльодний каньйон глибиною понад 3500 м нижче рівня моря (Morlighem et al., 2019). Зараз це найглибша підльодна западина Антарктиди і загалом найглибше місце на континентах Землі. Чи є на дні цієї западини рідка вода наразі невідомо. Хоча загалом, в Антарктиді знайдено чисельні підльодні водойми, серед яких найвідомішим є підльодовикове озеро Восток.
Рис.6. Каньйон з глибиною більше 3,5 км нижче рівня моря виявлено у 2019 році під льодовиком Денмана у Східній Антарктиці. Зображення з сайту NASA Scientific Visualization Studio.
У геологічному відношенні більша частина території Східної Антарктиди являє собою давню платформу. Це геологічно стабільна ділянка континенту з середньою потужністю земної кори 40 км, мінімальними проявами сучасної сейсмічної та магматичної активності. Як і інші давні платформи, Східно-Антарктична платформа (САП) має докембрійський кристалічний фундамент. Виходи кристалічного фундаменту, які відслонюються на різних ділянках узбережжя Східної Антарктиди, складаються гірськими породами, що істотно різняться за віком, походженням та умовами залягання. Це дає підстави виділяти у складі фундаменту САП декілька найдавніших архейських блоків (кратонів), розділених протерозойськими складчастими поясами (Goodge et al., 2021). Є точка зору, що фундамент САП є фрагментом прадавнього суперконтиненту Родінія, сформованого у протерозої 1300-900 млн років тому при зіткненні кількох менших за розміром континентальних мас, що існували у той час.
Найдавнішими гірськими породами Антарктиди вважаються гнейси комплексу Непіер, які відслонюються в горах Тьюла на Землі Ендербі. Їх вік, 3,80-3,95 млрд років, відповідає початку Еоархейської ери, що дозволяє відносити ці породи до переліку найбільш давніх геологічних утворень нашої Землі* (рис.7-8).
Рис.7. Гори Тьюла на Землі Ендербі складаються найдавнішими гірськими породами Антарктиди, фото з Sheraton et al., 1987 .
Рис.8. Мікроскопічні кристали циркону (ZrSiO4) з гнейсів Непіер, для яких було отримане U-Pb ізотопне датування 3,927±10 млрд р. Фото під мікроскопом у прохідному та відбитому світлі, розмір кожного поля зору 200*300 мкм (Black et al., 1986).
*Нагадаємо, що найбільш давніми земними породами зараз вважаються гнейси Акаста (Канада) – 4,03 млрд років, найдавнішими земними мінералами є циркони з кварцитів Джек-Хілс (Австралія) – 4,4 млрд років.
Гнейси Непіер утворилися в результаті метаморфічного перетворення первинно-магматичних гірських порід гранітоїдного складу в умовах надзвичайно високих температур (>1000оС) та помірного тиску. На інших ділянках кристалічний фундамент САП представлений різноманітними метаморфічними та глибинними магматичними породами, геологічний вік яких охоплює архейський та протерозойський еони. Породи фундаменту в різній мірі підлягають складчастості, розсланцюванню та іншим метаморфічним перетворенням. У багатьох місцях розвинуті мігматити – специфічні гірські породи, які складаються з метаморфічного гнейсового субстрату, ін’єктованого гранітоїдним матеріалом, що утворився при частковому розплавленні цього субстрату (рис.9).
Рис.9. Мігматит з Землі Королеви Мод. Темні смуги складаються метаморфічною породою – гнейсом. Світлі смуги – граніт, який утворився внаслідок часткового плавлення вміщуючого гнейсового субстрату. https://twitter.com/NPIgeology
Разом з гнейсами, кристалічними сланцями та мігматитами, значним розвитком користуються магматичні породи гранітного складу. Особливе місце серед них займають чарнокіти та ендербіти. Ці незвичайні гранітоїди, які містять у своєму складі ромбічний піроксен – гіперстен, властиві виключно для докембрію. Чарнокіти вперше знайшли і описали в Індії. Місцем першої знахідки ендербітів була Земля Ендербі у Східній Антарктиці. Згодом гіперстенові гранітоїди було виявлено в інших місцях, зокрема й в Україні. Примітно, що на різних ділянках узбережжя Східної Антарктиди геологічна будова її кристалічного фундаменту збігається з геологією давніх платформ, розташованих на території Африки, Індії та Австралії. Так, Земля Королеви Мод є геологічно подібною до південно-східної Африки, Земля Ендербі та Земля Принцеси Елізабет геологічно схожі зі східним Індостаном, геологія Землі Аделі та Землі Вілкса доволі подібна до геології південної Австралії. Перелічені факти мають важливе значення для реконструкції геологічного минулого Антарктиди та інших континентів.
Місцями на докембрійському кристалічному фундаменті САП залягає більш молодий платформний чохол. Його виходи відслонюються на денну поверхню у Трансантарктичних горах, а також на узбережжях Землі Вікторії та Землі Королеви Мод. На відміну від кристалічного фундаменту, відклади платформного чохла звичайно залягають більш менш горизонтально, не підлягають складчастим деформаціям та регіональному метаморфізму. Найбільшим розповсюдженням серед них користуються осадові породи. Їх геологічний вік відповідає палезойській та мезозойській ерам. На окремих ділянках розрізу осадові відклади можуть перекриватися вулканічними покривами базальтів (рис.10).
Рис.10. Вулканічні покриви базальтів, які входять до складу платформного чохла САП, відслонюються на горі Меслі, Земля Вікторії. Фото з Faure and Mensing, 2010.
ЗАХІДНА АНТАРКТИДА
Західна Антарктида охоплює територію, що лежить західніше від моря Ведела та східніше від моря Росса. Вона включає Землю Мері Берд, Землю Елсверта та Антарктичний півострів. Площа Західної Антарктиди помітно менша за Східну. Порівняно з останньою, льодовиковий покрив Західної Антарктиди також значно менший за площею та абсолютними висотами поверхні, менш товстий та має більш розчленований рельєф. При середньому значені висоти поверхні льодовикового покриву 910 м над рівнем моря, тут розрізняють декілька льодовикових куполів з абсолютними висотами до 2000 м. Над ними височіють одні з найвищих гірських пасм Антарктики – Гори Елсверт та Хребет Executive Committee. В горах Елсверт розташована найвища вершина Антарктиди – Масив Вінсон, 4892 м над рівнем моря (рис.10). Крайнім північно-західним відгалуженням Західної Антарктиди є Антарктичний півострів, який являє собою частково вкрите льодовиком гірське пасмо.
Загалом, середня товщина льодовикового покриву Західної Антарктиди складає 1048 м (Encyclopedia of the Antarctic, 2007). Корінне ложе льодовика на більшій частині території занурене дещо нижче рівня моря. Причому підльодовикова западина Бентлі сягає -2555 м. Величезні території Західної Антарктиди наразі затоплені водами шельфових морів Росса, Ведела, Амудсена та Белінсгаузена (див. рис. 5). Прибережні частини цих морів у багатьох місцях закриті шельфовими льдовиками, що знаходяться на плаву. Серед них два найбільших у світі – шельфовий льодовик Росса та шельфовий льодовик Ронне. Навколо Антарктичного півострова, а також на інших ділянках шельфу Західної Антарктиди розкидані чисельні гористі острови та острівні групи. Найбільший з них – о. Александра-І має площу 378*200 км з максимальною висотою 3140 м. Більшість зазначених островів також частково або повністю вкриті льодовиками. Фактично ж, у випадку повного танення антарктичних льодовиків уся Західна Антарктида перетворилася би на величезний острівний архіпелаг на манір Малайського.
Рис.11. Масив Вінсон, 4892 м над рівнем моря – найвища вершина Антарктиди. Фото з сайту National Geographic Education.
Геологічна будова Західної Антарктиди принципово відрізняється від Східної. Її підльодовикове ложе формують відносно молоді гірські споруди – орогенічні пояси, скорочено – орогени. Вони утворилися внаслідок глобальних геотектонічних процесів, що відбувалися вздовж активної континентальної окраїни Східно-Антарктичної платформи у палеозойську, мезозойську та кайнозойську ери. У ці часи на зазначеній території мав місце зустрічний рух двох тектонічних плит, який супроводжувався субдукцією – підсуванням океанічної літосфери під континентальну (рис.12).
Рис.12. В зоні субдукції відбувається підсування океанічної літосфери під континентальну, в результаті чого вздовж континентальної окраїни формується гірська споруда (ороген).
При цьому, значна частина океанічних осадових порід була зім’ята у складки, утворивши протяжні архіпелаги гористих островів. Загальне здіймання території супроводжувалося інтенсивними вулканічними виверженнями з накопиченням потужних товщ вулканічних туфів та андезитових лав. Глибинний магматизм проявився у формуванні величезних інтрузивних масивів, що складаються гранітами, діоритами та гранодіоритами. Внаслідок тривалих тектонічних рухів утворилася густа сітка розломів, яка наразі поділяє територію на окремі блоки. Підняття одних тектонічних блоків та занурення інших сприяло інтенсивній ерозії перших, в результаті чого глибинні інтрузивні масиви зараз в багатьох місцях оголюються на денній поверхні.
Усі перелічені геологічні процеси, які обумовили формування гірського ландшафту, об’єднуються спільним найменуванням орогенез, тобто – горотворення. Оскільки, субдукція відбувалася у декілька етапів зі значними перервами та періодами «тектонічного спокою», вздовж західної окраїни Східно-Антарктичної платформи на даний момент сформовано декілька різновікових орогенічних поясів. Їх геологічний вік закономірно омолоджується у напрямку Антарктичного півострова. Найдавнішим вважається протяжний Росський ороген у Трансантарктичних горах Східної Антарктиди, горотворення якого датується 600-500 млн років тому. Його продовження у Західній Антарктиді зафіксоване в районі півострові Едварда VII на Землі Мері Берд. Значно молодшим за віком вважається орогенічний пояс Елсверт. Головний етап його горотворення припадає на тріасовий період мезозою – 250-200 млн років, хоча первинним фундаментом для нього вочевидь слугували палеозойські утворення, які зазнали початкових деформацій ще під час більш давнього Росського орогенезу. Гірські споруди Антарктичного півострова також були сформовані щонайменше в два етапи горотворення – тріасовий (250-200 млн років) та юрсько-крейдяний (150-90 млн років). Наймолодші ж процеси горотворення, які розпочалися у палеогені (50 млн років тому), ще й досі тривають в районі Південних Шетландських островів.
ТРАНСАНТАРКТИЧНІ ГОРИ
Трансантарктичні гори (ТАГ), які простягаються через увесь материк на відстань біля 3500 км, слугують природною границею між Східною та Західною Антарктидою (рис.13).
Рис.13. Трансантарктичні гори – одна з найбільших гірських споруд світу. Фото з Liggett et al., 2015.
Абсолютні висоти ТАГ звичайно перевищують 2000 м над рівнем моря, найбільша височина – г.Кірпатрик сягає 4528 м. Окремі вершини ТАГ, схили гірських хребтів та так звані сухі долини на значних площах вільні від льодовикового покриву. Це один з найкраще відслонених регіонів Антарктики. Тим не менше, саме у Трансантарктичних горах знаходяться деякі з найбільших у світі вивідних (долинних) льодовиків. Так, льодовик Бірморда, який розпочинається на Східно-Антарктичному льодовиковому плато та стікає з перепадом висот 2200 м у напрямку шельфового льодовика Росса, має протяжність 200 км при ширині 40 км.
У геологічному відношенні Трансантарктичні гори – це внутрішньоконтинентальна орогенічна споруда з тривалою та складною історією розвитку. На сході від ТАГ розташована Східно-Антарктична платформа. Присутність її кристалічного фундаменту під ТАГ доводиться наявністю виходів докембрійських магматичних та метаморфічних порід у внутрішніх частинах цього гірського поясу, а також геофізичними даними. Останні засвідчили, що потужна континентальна літосфера, яка характерна для САП, частково простежується й під ТАГ. Щоправда, далі на захід товщина літосфери зменшується, набуваючи значень властивих для Західно-Антарктичної рифтової системи, що обмежує ТАГ з боку моря Роса.
Згадані виходи докембрійського кристалічного фундаменту, а також кембрійські осадові відклади, які відслонюються на окремих ділянках ТАГ, підлягають тектонічним деформаціям та перекристалізації. Звичайним є утворення складок та насувів. Зазначені прояви метаморфізму, а також вкорінення чисельних інтрузивних масивів ранньо-палеозойських гранітоїдів пов’язують з Росським орогенезом. Це горотворення було спричинене субдукцією океану Палео-Пасіфік під Східно-Антарктичну платформу, що відбувалася 600-500 млн років тому. Саме воно сформувало ранньопалеозойську складчасту основу, на якій потім виникли сучасні Трансантарктичні гори. Після ж завершення Росського орогенезу новоутворена гірська країна поступово була зруйнована. Про це свідчить поверхня давнього ерозійного вирівнювання, яка виявлена геологами на «росському» фундаменті та отримала найменування Kukri Peneplain. Стратиграфічно вище Kukri Peneplain залягає потужна товща осадових порід супергрупи Бікон (рис.14).
Рис.14. Поверхня давнього ерозійного вирівнювання (Kurki Peneplain) відокремлює ранньопалеозойську складчасту основу Трансантрактичних гір від перекриваючих платформних пісковиків, що належать до супергрупи Бікон. Вздовж горизонтальних поверхонь напластування біконських пісковиків вкорінені пластові інтрузії долеритів. https://transantarcticmountains.com/geology-of-the-transantarctic-mountains
Її накопичення розпочалося у девонському періоді і закінчилося у тріасовому. У літологічному складі переважають пісковики, менш розвинені конгломерати та аргіліти. Умови їх осадко-накопичення чергувались у часі від переважаючих континентальних до мілководно-морських. Відклади девонського часу уміщують рештки викопних риб. У пізньокам’яновугільних та ранньопермських шарах виявлені льодовикові відклади. Пермські та тріасові товщі містять пласти кам’яного вугілля, викопну глосоптерисову флору, а також рештки прадавніх амфібій та рептилій. Загалом же, на час формування супергрупи Бікон територія сучасних Трансантарктичних гір, як і більша частина прилеглої Східно-Антарктичної платформи, являли собою низьку континентальну рівнину, що періодично підтоплялася шельфовими морями.
На осадових товщах супергрупи Бікон залягають вулканічні породи супергрупи Ферар. Вони представлені покривами плато-базальтів та вулканічними туфами. Крім того, осадові породи можуть прориватися міжпластовими інтрузивними тілами та дайками долеритів. Геологічний вік усіх цих проявів магматизму ранньо-юрський. Потужні вулканічні виверження були пов’язані з процесами континентального рифтогенезу. Зазначені процеси відбувалися внаслідок розтягу земної кори під дією розсування літосферних плит і врешті решт призвели до розпаду суперконтиненту Гондвана, до якого входила Антарктида у ті часи. Більшість орографічних особливостей ТАГ почали закладатися саме тоді. Але сучасний альпійський рельєф формувався значно пізніше під дією інтенсивних ерозійних процесів спричинених зледенінням ТАГ.
ЗАХІДНО-АНТАРКТИЧНА РИФТОВА СИСТЕМА
Західно-Антарктична рифтова система (ЗАРС) охоплює більшу частину території Західної Антарктиди: басейн моря Росса, включаючи акваторію, що закрита однойменним шельфовим льодовиком; Землю Мері Берд та західну частину Землі Елсверта (див. рис.5). У підльодовиковому рельєфі, а також у рельєфі морського дна ЗАРС маркується протяжною западиною, що занурена нижче сучасного рівня моря та простежується на відстані 3000 від моря Росса через внутрішню територію Землі Мері Берд до моря Беллінсгаузена. Вздовж усього свого простягання ця западина доволі різко обмежується Трансантарктичними горами та горами Елсверта, схили яких стрімко підвищуються до 4000 м або й вище. Ширина цієї рифтової структури сягає 700 км, що ставить її в один ряд з найбільшими континентальними рифтовими системами світу – Східно-Африканською та Провінцією Басейнів та Хребтів у Північній Америці. Глибини западини ЗАРС звичайно складають -500-1000 м нижче рівня моря. Але топографію її дна ускладнюють чисельні менші за розмірами жолобоподібні западини – грабени та лінійні підняття – горсти, що витягнені паралельно загальному простяганню ЗАРС. Дно найглибшого з грабенів в районі підльодовикової западини Бентлі занурене на глибину -2555 м нижче рівня моря.
Геофізичні дані свідчать про малу потужність земної кори (20-30 км) в районі ЗАРС та її складну розломно-блокову будову. Протяжні блоки земної кори, які обмежуються стрімкими зустрічними розломами, зазнають тривалого занурення, утворюючі грабени. Натомість, підняті тектонічні блоки, з якими по розломам межують грабени, утворюють горсти. По усій площі ЗАРС розкидані чисельні вулканічні конуси. Частина з вулканів – Еребус, Берлін, Мельбурн є активними (Smellie et al., 2021). Продукти виверження цих вулканів суттєво відрізняються від вулканітів активних континентальних околиць своєю підвищеною лужністю. Усі перелічені особливості ЗАРС вказують на специфічність геологічних процесів, що призвели до її формування (рис.15).
Рис.15. Процес формування Західно-Антарктичної рифтової системи. Ілюстрація складена за Liggett et al., 2015 з виправленнями та доповненнями автора.
Загалом, протяжні системи континентальних рифтів формуються на межах тектонічних плит, що розсуваються у протилежні боки. При цьому, відбувається розтяг земної кори, виникнення зон тектонічної тріщинуватості – розломів. Останні формуються тріщинами відриву, що орієнтуються перпендикулярно до осі розтягу. По розломам відбувається просіданням одних тектонічних блоків по відношенню до інших, що супроводжується виникненням вже згаданих вище тектонічних структур – горстів та грабенів. Грабени формують у рельєфі вузькі жолобоподібні долини, які звичайно іменуються рифтами. Рифтові долини слугують шляхами стоку річок, які можуть живити величезні озера. З поверхневими водами до рифтової долини надходить осадовий матеріал. Утворення рифтів звичайно супроводжується активним базальтовим та лужним вулканізмом, чому безумовно сприяють розтяг земної кори, її мала потужність та висока проникність. Усі перелічені геологічні процеси об’єднуються спільним найменуванням рифтогенез. На території ЗАРС рифтогенез розпочався у крейдяному періоді 110-80 млн років тому і з перервами продовжується дотепер. Свідченням того, що рифтогенні процеси тривають і нині є активний сучасний лужний вулканізм, який характерний для району ЗАРС.
Рис.16. Вулкан Хамптон, а також декілька десятків інших вулканів формують велику вулканічну провінцію Землі Мері Берд, що є частиною Західно-Антарктичної рифтової системи. Фото з Walton, 2013
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
- An Meijian, Douglas Wiens, Zhao Yue, Feng Mei, Andrew A. Nyblade, Masaki Kanao, Li Yuansheng, Alessia Maggi, Jean-Jacques Lévêque, 2015a, S-velocity Model and Inferred Moho Topography beneath the Antarctic Plate from Rayleigh Waves. J. Geophys. Res., 120(1),359–383.
- Balch E.S. Antarctica. Philadelphia: Press of Allen, Lane and Scott, 1992. 230 p.
- Balch E.S. Stonington Antarctic Explorer. Bulletin of American Geographical Society. 1909. V.XLI. №8. P.473-492.
- Black L.P., Williams I.S., Comston W. Four zircon ages from one rock: the history of a 3930 Ma-old granulite from Mount Sones, Enderby Land, Antarctica. Contribution to Mineralogy and Petrology, 1986. 94. P. 427-437.
- Encyclopedia of the Antarctic. Editor B. Riffenburgh. Taylor and Francis Group, 2007. 1146 p.
- Faure G., Mensing T.M. The Transantarctic Mountains: Rocks, Ice, Meteorites and Water. Springer, 2010. 804 p.
- Goodge J.W., Kleinschmidt G., Laufer A.L., Lisker F., Menot R.-P., Roland N.W., Siddoway C., Smellie J.L., Thomson M.R.A. The geology of the Antarctic Continent. Stuttgart: Borntaeger Science Publichers, 2021. – 613 p.
- Liggett D., Storey B., Cook Y., Meduna V. Exploring the Last Continent: An Introduction to Antarctica. Springer, 2015. 597 p.
- Morlighem M., Rignot E., Binder T., Blankenship D., Drews R. Deep glacial troughs and stabilizing ridges unveiled beneath the margins of the Antarctic ice sheet. Nature Geoscience. 2020. 13. P.132-137.
- Nordenskjold O.G., Andersson J.G. Antarctica or two years amongst the ice of the South Pole. London, 1905. 608 p.
- Rymill J. Southern Lights: The Official Account of the British Graham Land Expedition 1934-1937. London, 1939. 296 p.
- Sheraton J.W., Tingey R.J., Black L.P., Offe L.O., Ellis D.J. Geology of Enderby Land and western Kemp Land, Antarctica. Cambera, 1987. 38 p.
- Smellie J.L., Panter K.S., Geyer A. Volcanism in Antarctica: 200 Million Years of Subduction, Rifting and Continental Break-up. The Geological Society of London, 2021. 824 p.
- Walton D.H.W. Antarctica: Global Science from a Frozen Continent. Cambridge, 2013. 342 p.
Олександр Митрохин,
доктор геологічних наук, професор кафедри мінералогії, геохімії та петрографії,
Київський національний університет імені Тараса Шевченка.
Київ, mitrokhin.a.v@ukr.net
Попередні частини циклу:
Антарктида сучасна та її минуле. Частина 1. Загальні уявлення про Льодовий континент
