Digital models of the deep structure of the Earth’s crust in the Eurasian Basin of the Arctic Ocean
- Authors: Chernykh A.A.1, Yakovenko L.V.1, Korneva M.S.1, Glebovsky V.Y.1
-
Affiliations:
- All-Russian Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologiya)
- Issue: No 1 (2024)
- Pages: 48-70
- Section: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/0016-853X/article/view/257170
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0016853X24010039
- EDN: https://elibrary.ru/HMHPSR
- ID: 257170
Cite item
Abstract
Based on the method of gravity modeling, taking into account the accumulated geophysical data on the Eurasian Basin of the Arctic Ocean, the authors have developed digital models of the deep structure of the Earth’s crust. The digital models of the basement relief and sedimentary cover thickness in the Eurasia Basin are calculated on the basis of reinterpretation of depth multi-channel seismic cross-sections and 2D gravity modeling. The digital models of the Mohorovichich surface relief and the earth’s crust thickness were calculated using the improved 3D gravity modeling method. It is shown that the reason for the deepening of the basement in the Nansen Basin by 1‒1.5 km in comparison with the Amundsen Basin is a larger volume of accumulated sedimentary cover in the Nansen Basin, with a similar thickness of the crust ~4.8 km in both basins. The characteristics of the oceanic crust studied on the basis of the obtained digital models reveal a complex, three-dimensional variability characteristic of ultra-slow spreading ridges. In the region of the Gakkel Ridge, which was formed at full spreading rates of less than 12 mm/year, the maximum spread of crust thickness is observed, as well as the predominance of the role of the tectonic factor over the magmatic one during the accretion of oceanic crust. Latter fact is expressed in the formation of extended subsea ridges parallel to the amagmatic segments of the ridge.
Full Text

About the authors
A. A. Chernykh
All-Russian Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologiya)
Author for correspondence.
Email: a.a.chernykh@vniio.ru
Russian Federation, bld.1, Angliisky pr., 190121 Saint Petersburg
L. V. Yakovenko
All-Russian Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologiya)
Email: a.a.chernykh@vniio.ru
Russian Federation, bld.1, Angliisky pr., 190121 Saint Petersburg
M. S. Korneva
All-Russian Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologiya)
Email: a.a.chernykh@vniio.ru
Russian Federation, bld.1, Angliisky pr., 190121 Saint Petersburg
V. Y. Glebovsky
All-Russian Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologiya)
Email: a.a.chernykh@vniio.ru
Russian Federation, bld.1, Angliisky pr., 190121 Saint Petersburg
References
- Арктический бассейн (геология и морфология). — Под ред. В.Д. Каминского. — СПб.: ВНИИОкеангеология, 2017. 291 с.
- Бочкарев А.В., Матвеева Т.В., Гусев Е.А., Гладыш В.А. Геотермические измерения в море Лаптевых в ходе рейса НИС “Иван Петров” в 2018 году. — В кн.: Геология морей и океанов. — Мат-лы XXIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. — Т. II. — М.: ИО РАН. 2019. 320 с.
- Геологическое строение и геоморфология Северного Ледовитого океана в связи с проблемой внешней границы континентального шельфа Российской Федерации в Арктическом бассейне. — Под ред. И.С. Грамберга, А.А. Комарицына, В.Д. Каминского. — СПб.: ВНИИОкеангеология. 2000. 117 с.
- Геология и полезные ископаемые России. — Т. 5. — Кн. 1. — Арктические и дальневосточные моря. — СПб.: ВСЕГЕИ, 2004. 468 с.
- Глебовский В.Ю., Каминский В.Д., Минаков А.Н., Меркурьев С.А., Чилдерс В.А., Брозина Д. История формирования Евразийского бассейна Северного Ледовитого океана по результатам геоисторического анализа аномального магнитного поля // Геотектоника. 2006. № 4. С. 21‒42.
- Глебовский В.Ю., Астафурова Е.Г., Черных А.А., Корнева М.А., Каминский В.Д., Поселов В.А. Мощность земной коры в глубоководной части Северного Ледовитого океана: результаты 3D гравитационного моделирования // Геология и геофизика. 2013. № 3. С. 327‒334.
- Глебовский В.Ю., Черных А.А., Каминский В.Д., Васильев В.В., Корнева М.С., Суханова А.В., Редько А.Г., Яковенко И.В. Основные итоги и планы дальнейших магнитометрических и гравиметрических исследований в Северном Ледовитом океане. — В сб.: 70 лет в Арктике, Антарктике и Мировом океане. — Под ред. В.Д. Каминского, Г.П. Аветисова, В.Л. Иванова. — СПб.: ВНИИОкеангеология. 2018. С. 229–238.
- Грамберг И.С. Сравнительная геология и минерагения океанов и их континентальных окраин с позиций стадийного развития океанов. Российская Арктика: геологическая история, минерагения, геоэкология. — СПб.: ВНИИОкеангеологи, 2002. С. 17‒34.
- Деменицкая Р.М. Кора и мантия Земли. — М.: Недра, 1975. 255 с.
- Казанин Г.С., Заяц И.В., Иванов Г.И., Макаров Е.С., Васильев А.С. Геофизические исследования в районе Северного полюса // Океанология. 2016. № 2. С. 333‒335.
- Каминский В.Д., Глебовский В.Ю., Егорова А.В., Черных А.А. Основные достижения и проблемы изучения геологического строения акваторий Северного Ледовитого океана с оценкой углеводородных ресурсов по данным потенциальных полей // Горный журнал. 2013. № 11. С. 23‒29.
- Каминский В.Д., Супруненко О.И., Смирнов А.Н., Медведева Т.Ю., Черных А.А., Александрова А.Г. Современное ресурсное состояние и перспективы освоения МСБ шельфовой области Российской Арктики // Разведка и охрана недр. 2016. № 9. С. 136‒142.
- Каминский В.Д., Супруненко О.И., Лазуркин Д.В., Поселов В.А. Проблемы изучения глубоководных нефтеперспективных осадочных бассейнов Евразийской континентальной окраины и ложа Северного Ледовитого океана // Горный журнал. 2012. № 3. С. 66–71.
- Карасик A.M. Магнитные аномалии хребта Гаккеля и происхождение хребта Гаккеля Северного Ледовитого океана. — В кн.: Геофизические методы разведки в Арктике. — Под ред. Р.М. Деменицкой. — Л.: НИИГА, 1968. Вып. 5. С. 9‒19.
- Кашубин С.Н., Петров О.В., Андросов Е.А., Морозов А.Ф., Каминский В.Д., Поселов В.А. Карта мощности земной коры циркумполярной Арктики // Региональная геология и металлогения. 2011. № 46. С. 5‒13.
- Конторович А.Е., Эпов М.И., Бурштейн Л.М., Каминский В.Д., Курчиков А.Р., Малышев Н.А., Прищепа О.М., Сафронов А.Ф., Ступакова А.В., Супруненко О.И. Геология, ресурсы углеводородов шельфов арктических морей России и перспективы их освоения // Геология и геофизика. 2010. Т. 51. № 1. С. 7‒17.
- Литвин В.М. Морфоструктура дна океанов. — Л.: Недра, 1987. 275 с.
- Лихачев А.А., Глебовский В.Ю., Брекке Х., Инген О., Фалейде Я.И. Оценка мощности осадочного чехла в котловине Нансена по магнитометрическим данным. — Т. 5 — Геолого-геофизические характеристики литосферы Арктического региона. — Под ред.: Г.П. Аветисова, В.А. Басова, А.Л. Пискарева, Ю.Е. Погребицкого, А.И. Трухалева — СПб.: ВНИИОкеангеология, 2004. 5. С. 98–110.
- Мащенков С.П., Зайончек А.В. Мощность земной коры Центрально-Арктического бассейна по результатам трехмерного гравитационного моделирования. — В кн.: Геоморфологические и геологические критерии. — СПб.: ВНИИОкеангеология, 2000. 85 с.
- Огнев А.О., Жилкайдарова А.М. Физические свойства осадочных отложений западной части Туранской плиты // Геология нефти и газа. 1986. № 7. С. 43–48.
- Петров О.В., Кашубин С.Н., Дараган-Сущова Л.А., Мильштейн Е.Д., Андросов Е.А., Петров Е.О., Пипджон К., Поселов В.А., Поспелов И.И., Шокальский С.П., Соколов С.Д. Карта мощности осадочного чехла Арктики. — Тектоническая карта Арктики ВСЕГЕИ/CGMW. — Под ред. О.В. Петрова, М. Пубелье. — СПб. ВСЕГЕИ. 2019. C. 36‒39.
- Поселов В.А., Жолондз С.М., Трухалев А.И., Косько М.К., Поселова Л.Г., Буценко В.В., Павленкин А.Д., Верба В.В., Ким Б.И. Карта мощности осадочного чехла Северного Ледовитого океана. — В кн.: Геолого-геофизические характеристики литосферы Арктического региона. — СПб.: ВНИИОкеангеология, 2012. С. 8‒14.
- Сорохтин О.Г., Зависимость топографии срединно-океанических хребтов от скорости раздвижения литосферных плит // Докл. АН СССР. 1973. Т. 208. № 6. С. 1338‒1341.
- Черных А.А. Глубинное строение и тектоника зоны перехода континент-океан в море Лаптевых по геофизическим данным // Автореф. дис. к.г.-м.н.: 25.00.10, СПб, 2005. 24 с.
- Черных А.А., Гольмшток А.Я. Грави-термическая модель Прилаптевоморского замыкания Евразийского бассейна // Вопросы геофизики. 2009. Вып. 41. С. 62‒79.
- Черных А.А., Крылов А.А. История седиментогенеза в котловине Амундсена в свете геофизических данных и материалов бурения ACEX (IODP-302). — Т. 210. — Кн. 7. — Геолого-геофизические характеристики литосферы Арктического региона. — СПб.: ВНИИОкеангеология, 2010, С. 56‒66.
- Airy G.B. On the computation of the effect of the attraction of mountain-masses, as disturbing the apparent astronomical latitude of stations of geodetic surveys // Philos. Transact. Royal Soc. London. 1855. Vol. 145. P. 101‒104.
- Alvey A., Gaina C., Kusznir N.J., Torsvik T.H. Integrated crustal thickness mapping and plate reconstructions for the high Arctic // Earth Planet. Sci. Lett. 2008. Vol. 274. No. 3–4. P. 310‒321.
- Andersen O.B., Knudsen P. The DTU17 Global Marine Gravity Field: First Validation Results. — In: Fiducial Reference Measurements for Altimetry. — (Springer, Berlin‒Heidelberg, Germany. 2009. Vol. 150. P. 83–87.
- Backman J., Moran K., McInroy D.B., Brinkhuis H., Clemens S., Cronin T., Dickens G.R., Eynaud F., Gattacceca J., Jakobsson M., Jordan R.W., Kaminski M., King J., Koc N., Martinez N.C., Matthiessen J., Moore T.C., Onodera J., O’Regan M., Palike H., Rea B.R., Rio D., Sakamoto T., Smith D.C., Stein R., St. John K.E.K., Suto I., Suzuki N., Takahashi K., Watanabe M., Yamamoto M. Sites Proceedings of the Integrated Ocean Drilling Program. — (College Station TX. USA. Integrated Ocean Drilling Program Management Int. 2006. Vol. 302. 169 p.
- Brevik A.J., Verhoef J., Faleide J.I. Effect of thermal contrasts on gravity modeling at passive margins: Results from the western Barents Sea // J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104. No. B7. P. 15293‒15311.
- Brocher T.M. Empirical Relations between Elastic Wavespeeds and Density in the Earth’s Crust // Seismol. Soc. Am. Bull. 2005. Vol. 95. No. 6. P. 2081–2092.
- Brozena J.M., Childers V.A., Lawver L.A., Gahagan L.M., Forsberg R., Faleide J.I., Eldholm O. New aerogeophysical study of the Eurasian Basin and Lomonosov Ridge: Implications for basin development. // Geology. 2003. Vol. 31. No. 9. P. 825‒828.
- Chen Y. Oceanic crustal thickness versus spreading rate // Geophys. Res. Lett.1992. 19. P. 753‒756.
- Cochran J.R., Kurras G.J., Edwards M.H., Coakley B.J. The Gakkel Ridge: Bathymetry, gravity anomalies and crustal accretion at extremely slow spreading rates // Geophys. Res. 2003.
- Dick Henry J.B., Lin Jian, Schouten Hans. An ultraslow-spreading class of ocean ridge // Nature. 2003. Vol. 426. P. 405–412.
- Ding W., Niu X., Zhang T., Chen Sh., Liu Sh., Tan P., Kong F., Jin Z., Huang S., Wei Ch., Fang Y., Sun Q., Li J. Submarine wide-angle seismic experiments in the High Arctic: The JASMInE Expedition in the slowest spreading Gakkel Ridge // Geosystems and Geoenvironment. 2022. Vol.1. Is. 3. Art. 100076.
- Duckworth G.L., Baggeroer A.B. Inversion of refraction data from the Fram and Nansen basins of the Arctic Ocean // Tectonophysics. 1985. Vol.114. P. 55–102.
- Ehlers B., Jokat W. Subsidence and crustal roughness of ultra-slow spreading ridges in the northern North Atlantic and the Arctic Ocean // Geophys. J. Int. 2009. Vol. 177. P. 451‒462.
- Engen Ø. Evolution of High Arctic Ocean Basins and Continental Margins. — (Univ. of Oslo. Norway. 2005). 154 p.
- Fuchs S., Norden B. International Heat Flow Commission. — In: The Global Heat Flow Database: Release 2021. — GFZ Data Services. 2021. https://doi.org/10.5880/fidgeo.2021.014
- Funck T., Shimeld J., Salisbury M. Magmatic and rifting-related features of the Lomonosov Ridge, and relationships to the continent‒ocean transition zone in the Amundsen Basin, Arctic Ocean // Geophys. J. Int. 2022. Vol. 229. P. 1309‒1337.
- Gaina C., Werner S. C., Saltus R., Maus S. and the CAMP-GM group. Circum‒Arctic Mapping Project: New Magnetic and Gravity Anomaly Maps of the Arctic. — In: Arctic Petroleum Geology. — Ed. by A. M. Spencer, D. Gautier, A. Stoupakova, A. Embry, K. Sørensen (London, Geol. Soc. Mem. 2011. Vol. 35). P. 39–48.
- Gaina С., Nikishin A.M., Petrov E.I. Ultraslow spreading, ridge relocation and compressional events in the East Arctic region: A link to the Eurekan orogeny? // Arktos. 2015. Vol. 16. P. 1‒11.
- Gardner G.H.F., Gardner L.W., Gregory A.R. Formation velocity and density — the diagnostic basics for stratigraphic traps // Geophysics. 1974. Vol. 39. P. 770‒780.
- Geissler W.H., Jokat W. A geophysical study of the northern Svalbard continental margin // Geophysics. 2004. Vol. 158. P. 50‒66.
- Glebovsky V.Yu., Astafurova E.G., Chernykh А.А., Korneva M.A., Kaminsky V.D., Poselov V.A. Thickness of the Earth’s crust in the deep Arctic Ocean: Results of a 3D gravity modeling // Russian Geol. Geophys. 2013. Vol. 54. P. 247–262.
- Glebovsky V.Yu., Astafurova E.G., Chernykh A.A., Egorova A.V., Kaminsky V.D., Korneva M.S., Redko A.G. Updated maps of Moho topography and the earth crust thickness in the Deep Arctic Ocean based on results of potential field zoning and 3-D gravity modeling // Geophys. Res. Abstr. 2014. Vol. 16. EGU2014-14872.
- Henriksen E., Bjørnseth H. M., Hals T. K., Heide T., Kiryukhina T., Kløvjan O. S., Larssen G. B., Ryseth A. E., Rønning K., Sollid K., Stoupakova A. Uplift and erosion of the greater Barents Sea: Impact on prospectivity and petroleum systems // Geol. Soc. London Mem. 2011. Vol. 35. No. 1. P. 271–281.
- Jackson H.R., Reid I., Falconer R.K.H. Crustal structure near the Arctic Mid-Ocean Ridge // J. Geophys. Res. 1982. Vol. 87. P. 1773–1783.
- Jackson H.R., Johnson G.L., Sundvor E., Myhre A.M. The Yermak Plateau: Formed at a triple junction // J. Geophys. Res. 1984. Vol. 89. P. 3223–3232.
- Jakobsson M., Mayer L.A., Bringenspar C. et al. The International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean Version 4.0. // Geophys. Res. Lett. 2020. Vol. 176. P. 1‒14.
- Jokat W., Weigelt E., Kristoffersen Y., Rasmussen T., Schöne T. New insights into the evolution of the Lomonosov Ridge and the Eurasian Basin // Geophys. J. Int. 1995. Vol. 122. P. 378‒392.
- Jokat W., Micksch U. Sedimentary structure of the Nansen and Amundsen basins, Arctic Ocean // Geophys. Res. Lett. 2004. Vol. 31. P. 1‒14.
- Jokat W., Schmidt-Aursch M.C. Geophysical characteristics of the ultraslow spreading Gakkel Ridge, Arctic Ocean // Geophys. J. Int. 2007. Vol.168. P. 983–998.
- Kristoffersen Y., Husebye E.S., Bungum H. Gregersen S. Seismic investigations of the Nansen Ridge during the FRAM I experiment //Tectonophysics. 1982. Vol. 82. P. 57–68.
- Lebedeva-Ivanova N., Gaina C., Minakov A., Kashubin S. ArcCRUST: Arctic crustal thickness from 3D gravity inversion // Geochem. Geophys. Geosystems. 2019. Vol. 20. Is. 7. P. 3225‒3247.
- Lebedeva-Ivanova N.N., Zamansky Y. Y., Langinen A. E., Sorokin M.Y. Seismic profiling across the Mendeleev Ridge at 82◦N: evidence of continental crust // Geophys. J. Int. 2006. Vol. 165. P. 527‒544.
- Ludwig W. J., Nafe J. E., Drake C. L. Seismic refraction, the Sea. — Ed. by A. E. Maxwell, (Wiley-Intersci., NY, USA. 1970 Vol. 4), P. 53–84.
- Lutz R., Franke D., Berglar K., Heyde I., Schreckenberger B., Klitzke P., Geissler W.H. Evidence for mantle exhumation since the early evolution of the slow-spreading Gakkel Ridge // Arctic Ocean. J. Geodyn. 2018. Vol. 118. P. 154‒165.
- Michael P.J., Langmuir C.H., Dick H.J.B., Snow J.E., Goldstein S.L., Graham D.W., Lehnert K., Kurras G., Jokat W., Muhe R., Edmonds H.N. Magmatic and amagmatic seafloor generation at the ultraslow-spreading Gakkel ridge, Arctic Ocean // Nature 2003. Vol. 423. P. 956–961.
- Minakov A.,. Faleide J.I, Glebovsky V.Ju., Mjelde R. Structure and evolution of the Northern Barents-Kara Sea continental margin from integrated analysis of potential fields, bathymetry and sparse seismic data // Geophys. J. Int. 2012. Vol. 188. P.79‒102.
- Nafe J.E., Drake C.L. Variation with depth in shallow and deep water marine sediments of porosity, density and velocity of compressional and shear waves // Geophysics. 1957. Vol. 22. P. 523–552.
- Ogg J. Geomagnetic Polarity Time Scale // Time Scale. 2012. Vol. 1. 462 p.
- O’Regan M., Moran K., Backman J. et al. Mid-Cenozoic tectonic and paleoenvironmental setting of the central Arctic Ocean // Paleoceanography. 2008. Vol. 23. P. 1‒15.
- Parker R.L. The rapid calculation of potential anomalies // Geophys. J. Royal Astronom. Soc. 1972. Vol. 42. P. 315‒334.
- Parker R.L., Oldenburg D.W. Thermal model of ocean ridges // Nature. 1973. Vol. 42. P. 137–139.
- Petrov O., Smelror M., Morozov A., Shokalsky S., Kashubin S., Artemieva I.M., Sobolev N., Petrov E., Ernst R.E., Sergeev S. Crustal structure and tectonic model of the Arctic region // Earth-Sci. Rev. 2016. Vol. 154. P. 29–71.
- Shephard G.E., Wiers S., Bazhenova E., Pérez L.F., Mejía L.M., Johansson C., Jakobsson M., O’Regan M. A North Pole thermal anomaly? Evidence from new and existing heat flow measurements from the central Arctic Ocean // J. Geodynam. 2018. Vol. 118. P. 166‒181.
- Shimeld J., Li O., Chian D., Lebedeva-Ivanova N., Jackson R., Mosher D., Hutchinson D. Seismic velocities within the sedimentary succession of the Canada Basin and southern Alpha-Mendeleev Ridge, Arctic Ocean: evidence for accelerated porosity reduction? // Geoph. J. Int. 2016. Vol. 204. P. 1–20.
- Piskarev A.L., Elkina D.V. Giant caldera in the Arctic Ocean: Evidence of the catastrophic eruptive event // Sci. Reports. 2017. Vol. 7. Art. 46248.
- Sobolev P. Cenozoic uplift and erosion of the Eastern Barents Sea—constraints from offshore well data and the implication for petroleum system modelling // ZDGG. 2012. P. 309 –324.
- Vogt P.R., Taylor P.T., Kovacs L.C., Johnson G.L. Detailed aeromagnetic investigation of the Arctic Basin // J. Geophys. Res. 1979. Vol. 84. P. 1071–1089.
- Weber J.R. The Lomonosov Ridge experiment: ‘LOREX 79’ // EOS Transact. AGU. 1979. Vol. 60. P. 715‒721.
- Weigelt E., Jokat W. Peculiarities of roughness and thickness of oceanic crust in the Eurasian Basin, Arctic Ocean // Geophys. J. Int. 2001. Vol. 145. P. 505–516.
- Zhao L., Zhang T., Ling Z., Li M., Zhi P., Ding R., Li C. Spatial and temporal variations in crustal structure in the Eurasian Basin // J. Marin. Sci. 2022. Vol. 10. P. 1‒15.
- Zhang T. Age of the Canada Basin, Arctic Ocean: Indications from high-resolution magnetic data // Geophys. Res. Lett. 2019. Vol. 46. P. 13712‒13721.
- IHS Kingdom [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://kingdom.ihs.com/
- Oasis Montaj, Geosoft [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.seequent.com/products-solutions/geosoft-oasis-montaj/
Supplementary files
