The geological structure of the Gakkel Ridge: in the light of new geological and geophysical data

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In 2011‒2020 the significant amount of seismic lines was carried out in the Eurasian Basin of the Arctic Ocean, which made it possible to study the structure of the junction zones of the Gakkel Ridge with the Nansen and Amundsen basins on a number of profiles. During 2019‒2020 15 sections of the Gakkel Ridge and its rift valley were studied using a sub-bottom profiler and seismo-acoustic profiling. New data on the relief of the basement, as well as the use of databases of bathymetry, gravity and magnetic anomalies updated at VNIIOkeangeologia, made it possible to calculate the magnetization of the rocks of the Gakkel Ridge along a number of profiles crossing the ridge, and to perform the model calculations of the Earth’s crust structure using a complex of geological and geophysical data in the area of the southeastern termination of the ridge. The Gakkel Ridge is a structure, the isolation of which refers to the time interval of Early Oligocene (34 Ma)–Early Miocene (23 Ma), in the process of radical restructuring of the spreading kinematics in the already existing ocean basins in the regions of the North Atlantic and the Arctic. The values of the calculated magnetization of the magnetic layer of the Earth’s crust show that this layer is partly composed of oceanic basalts, but mainly of deep-originated rocks, gabbro and peridotites, brought to the surface during detachment accompanying spreading. The Laptev Sea continuation of the rift valley of the Gakkel Ridge, to the south of the caldera, passes above many kilometers of sediments, at the base of which sedimentary rocks of Cretaceous and Late Jurassic age occur.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. L. Piskarev

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia); St. Petersburg State University

Author for correspondence.
Email: apiskarev@gmail.com

Institute of Earth Sciences

Russian Federation, St. Petersburg; St. Petersburg

V. D. Kaminsky

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia)

Email: apiskarev@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

A. A. Kireev

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia)

Email: apiskarev@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

V. A. Poselov

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia)

Email: apiskarev@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

V. A. Savin

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia); St. Petersburg State University

Email: apiskarev@gmail.com

Institute of Earth Sciences

Russian Federation, St. Petersburg; St. Petersburg

O. E. Smirnov

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia)

Email: apiskarev@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

D. V. Bezumov

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia)

Email: apiskarev@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

E. A. Dergileva

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia)

Email: apiskarev@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

G. I. Ovanesian

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia)

Email: apiskarev@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

E. S. Ovsiannikova

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia); St. Petersburg State University

Email: apiskarev@gmail.com

Institute of Earth Sciences

Russian Federation, St. Petersburg; St. Petersburg

D. V. Elkina

Gramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia)

Email: apiskarev@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

References

  1. Арктический бассейн (геология и морфология). – Под ред. В.Д. Каминского – СПб: ВНИИОкеангеология, 2017. 291 с.
  2. Гордин В.М., Назарова Е.А., Попов К.В. Обобщенная петромагнитная модель океанской литосферы // Океанология, 1993. Т. 33. № 1. С. 139‒143.
  3. Дараган-Сущова Л.А., Петров О.В., Дараган-Сущов Ю.И., Леонтьев Д.И., Савельев И.Н. История формирования Евразийского бассейна Северного Ледовитого океана по сейсмическим данным // Региональная геология и металлогения. 2020. № 84. С. 25‒44.
  4. Дубинин Е.П., Ушаков С.А. Океанический рифтогенез. – М.: ГЕОС, 2001, 293 с.
  5. Карасик А.М. Основные особенности истории развития и структуры дна Арктического бассейна по аэромагнитным данным – В сб.: Морская геология, седиментология, осадочная петрография и геология океана. – Под ред. И.М. Варенцова – Л.: Недра, 1980. С. 178‒193.
  6. Кириллова-Покровская Т.А. Разработка актуализированной геологической модели моря Лаптевых и сопредельных глубоководных зон для уточненной оценки его углеводородного потенциала // Разведка и охрана недр. 2017. № 10. С. 30‒38.
  7. Кременецкий А.А., Пилицын А.Г., Веремеева Л.И., Морозов А.Ф., Петров О.В., Петров Е.И. Эволюция фундамента, рифтогенез и нефтегазоносность Циркумполярной Арктики // Региональная геология и металлогения. 2020. № 83. С. 14–32.
  8. Лобковский Л.И., Кононов М.В., Шипилов Э.В. Геодинамические причины возникновения и прекращения кайнозойских сдвиговых деформаций в Хатанга-Ломоносовской разломной зоне (Арктика) // ДАН. Науки о Земле. 2020. Т. 492. № 1. С. 82–87.
  9. Печерский Д.М., Тихонов Л.В. Петромагнитные особенности базальтов Атлантического и Тихого океанов // Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли. 1983. № 4. С. 79‒90.
  10. Пискарев А.Л. Глубинная морская геофизика (развитие методов истолкования). – Л.: Недра, 1991. 188 с.
  11. Пискарев А.Л. Петрофизические модели земной коры Северного Ледовитого океана. – СПб.: ВНИИОкеангеология, 2004. 134 c. (Тр. НИИГА‒ВНИИОкеангеология. Т. 203).
  12. Пискарев А.Л., Аветисов Г.П., Киреев А.А., Казанин Г.С., Поселов В.А., Савин В.А., Смирнов О.Е., Элькина Д.В. Строение зоны перехода шельф моря Лаптевых‒ Евразийский бассейн, Северный Ледовитый океан // Геотектоника. 2018. № 6. С. 3‒24.
  13. Пискарев А.Л., Астафурова Е.Г., Беляев И.В., Жемчужников Е.Г., Подгорных Л.В. Долговременные вариации намагниченности и плотности океанической земной коры // ДАН. 1998. Т. 360. № 2. С. 257‒262.
  14. Природа магнитных аномалий и строение океанической коры. – Под ред. А.М. Городницкого – М.: ВНИРО, 1996. 282 с.
  15. Рекант П.В., Гусев Е.А. Структура и история формирования осадочного чехла рифтовой зоны хребта Гаккеля (Северный Ледовитый океан) // Геология и геофизика. 2016. Т. 57. № 9. С. 1634‒1640.
  16. Соколов С.Ю. Тектоника и геодинамика Экваториального сегмента Атлантики. – Дис. … д.г.-м.н. ‒ М.: ГИН РАН, 2018. 50 с.
  17. Barton P.J. The relationship between seismic velocity and density in the continental crust ‒ a useful constraint? // Geophys. J. Royal Astron. Soc. 1986. Vol. 87. Is.1. P. 195‒208.
  18. Blackman D.K., Canales J.P, Harding A. Geophysical signatures of oceanic core complexes // Geophys. J. Int. 2009. Vol. 178. Is. 2. P. 593–613.
  19. Bleil U., Peterson N. Variations in magnetization intensity and law-temperature titanomagnetite oxidation of ocean floor basalts // Nature. 1983. Vol. 301. P. 384‒388.
  20. Bonatti E. Serpentinite protrusions in the oceanic crust // Earth Planet. Sci. Lett. 1976. Vol. 32. Is. 2. P. 107‒113.
  21. Cannat M., Sauter D., Escartín J., Lavier L., Picazo S. Oceanic corrugated surfaces and the strength of the axial lithosphere at slow spreading ridges // Earth Planet. Sci. Lett. 2009. Vol. 288. P. 174–183.
  22. Cochran J.R. Seamount volcanism along the Gakkel Ridge, Arctic Ocean // Geophys. J. 2008. Vol. 174. P. 1153–1173.
  23. Faust L.Y. Seismic velocity as a function of depth and geologic time // Geophysics. 1951. Vol. 16. P. 192‒206.
  24. Gaina C., 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. Vol. 16. No. 1. 2015. https://doi.org/10.1007/s41063-015-0006-8
  25. 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.
  26. Geologic structures of the Arctic Basin. – Ed. by A. Piskarev, V. Poselov, V. Kaminsky. – Springer Nature. 2019. 375 p.
  27. Gernigon L., Franke D., Geoffroy L., Schiffer C., Foulger G.R., Stoker M. Crustal fragmentation, magmatism, and the diachronous opening of the Norwegian-Greenland Sea // Earth-Sci. Rev. 2020. Vol. 206. P. 1‒37.
  28. Glebovsky V.Y., Kaminsky V.D., Minakov A.N., Merkur’ev S.A., Childers V.A., Brozena J.M. Formation of the Eurasia Basin in the Arctic Ocean as inferred from geohistorical analysis of the anomalous magnetic field // Geotectonics. 2006. Vol. 4. P. 21‒42. https://doi.org/10.1134/S0016852106040029
  29. Jokat W., Micksch U. Sedimentary structure of the Nansen and Amundsen basins, Arctic Ocean // Geophys. Res. Lett. 2004. Vol. 31. P. 1‒4.
  30. Jokat W., Lehmann P., Damaske D. et al. Magnetic signature of North-East Greenland, the Morris Jesup Rise, the Yermak Plateau, the central Fram Strait: Constraints for the rift/drift history between Greenland and Svalbard since the Eocene // Tectonophysics. 2015. Vol. 691. P. 98‒109.
  31. Jokat W., Schmidt-Aursch M.C. Geophysical characteristics of the ultraslow spreading Gakkel Ridge, Arctic Ocean // Geophys. J. 2007. Vol. 168. P. 983–998.
  32. Kos’ko M.K., Trufanov G.V. Middle Cretaceous to Eopleistocene sequences on the New Siberian islands: an approach to interpret offshore seismic // Marin. Petrol. Geol. 2002. Vol. 19. P. 901–919.
  33. 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 slowspreading Gakkel Ridge, Arctic Ocean // J. Geodynam. 2018. Vol. 118. P. 154‒165.
  34. McLeod C.J., Searle R.C., Murton B.J, Casey J.F., Mallows C., Unsworth S.C., Achenbach K.L., Harris M. Life cycle of oceanic core complexes // Earth Planet. Sci. Lett. 2009. Vol. 287. P. 333–344.
  35. Mosher D.C., Shimeld J.W., Hutchinson D., et al. Canada Basin revealed. ‒ In: Arctic Technology Conference Paper. ‒ (Houston. USA. 2012).
  36. Moran. K., Blackman J. Brinkhuis H., et al. The Cenozoic palaeoenvironment of the Arctic Ocean // Nature. 2006. Vol. 441. P. 601‒606.
  37. Nikishin A.M., Petrov E.I., Malyshev N.A., Ershova V.P. Rift systems of the Russian Eastern Arctic Shelf and Arctic deep water basins: Link between geological history and geodynamics // Geodynam. Tectonophys. 2017. Vol. 8. Iss. 1. P. 11–43.
  38. Okino K., Matsuda K., Christie D.M., Nogi Y., Koizumi K. Development of oceanic detachment and asymmetric spreading at the Australian‒Antarctic Discordance // Geochem., Geophys., Geosyst. 2004. Vol. 5. No. 12. P. 1‒22.
  39. Piskarev A., Elkina D. Giant caldera in the Arctic Ocean: Evidence of the catastrophic eruptive event // Nature Sci. 2017. Vol. 7. P. 1‒8.
  40. Poirier A., Hillaire-Marcel C. Improved Os-isotope stratigraphy of the Arctic Ocean // Geophys. Res. Lett. 2011. Vol. 38. L14607. 10.1029/2011GL047953' target='_blank'>https://doi: 10.1029/2011GL047953. 2011
  41. Reston T. J., Ranero C. R. The 3D geometry of detachment faulting at mid-ocean ridges // Geochem., Geophys., Geosyst. 2011. Vol. 12. No. 7. P. 1‒19.
  42. Richter M., Nebel O., Maas R., Mather B., Nebel-Jacobsen Y., Capitanio F.A., Dick H.J.B., Cawood P.A. An Early Cretaceous subduction-modified mantle underneath the ultraslow spreading Gakkel Ridge, Arctic Ocean // Sci. Advances. 2020. Vol. 6. Is. 44. P. 1‒29.
  43. Snow J.E., Edmonds H.N. Ultraslow-spreading ridges. Rapid paradigm changes // Oceanography. 2007. Vol. 20. No. 1. P. 90–101.
  44. Sohn R.A., Willis C., Humphris S. et al. Explosive volcanism on the ultraslow-spreading Gakkel Ridge, Arctic Ocean // Nature. 2008. Vol. 453. P. 1236–1238.
  45. Taylor P.T., Kovacs L.C., Vogt P.R., Johnson G.L. Detailed aeromagnetic investigation of the Arctic Basin // J. Geophys. Res. 1981. Vol. 86. P. 6323‒6333.
  46. Thiede J. Polarstern Arctis XVII/2 Cruise Report: Amore 2001 (Arctic Mid-Ocean Ridge Expedition) – (Bremerhaven, Alfred Wegener Institute. 2002. Vol. 421), pp. 297.
  47. Tremblay A., Meshi A., Bédard J.H. Oceanic core complexes and ancient oceanic lithosphere: Insights from Iapetan and Tethyan ophiolites (Canada and Albania) // Tectonophysics. 2009. Vol. 473. Is. 1. P. 36‒52.
  48. Xu M., Canales J.P., Tucholke B.E., DuBois D.L. Heterogeneous seismic velocity structure of the upper lithosphere at Kane oceanic core complex, Mid-Atlantic Ridge // Geochem., Geophys., Geosyst. 2009. Vol. 10. No. 10. P. 1‒34. 10.1029/2009GC002586' target='_blank'>https://doi: 10.1029/2009GC002586
  49. Zakharov V.A., Kim B.I., Rogov M.A. Probable Distribution of Upper Jurassic and Lower Cretaceous Deposits on the Laptev Sea Shelf and Their Petroleum Resource Potential // Stratigraphy and Geological Correlation. 2013. Vol. 21. No. 5. P. 496–514. https://doi.org/10.1134/S0869593813050067

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Bathymetric map of the Eurasian Basin of the Arctic Ocean. Shown: the rift valley of the Gakkel Ridge, marking the seismically active zone of the plate boundary (short dotted line); the boundaries of the Gakkel Ridge (long dotted line), expressed both in the relief of the seafloor and in the relief of the crystalline basement; the position of profiles 2014-07, 2020_13, 2020_15, 2019_17, 20L21, 20L22 and 2015_1B (lines in red).

Download (457KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Map of magnetic anomalies of the Eurasian basin of the Arctic Ocean. The positions of profiles 2020_15 and 2019_17 are shown (lines in crimson).

Download (701KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Map of gravity anomalies in the free air of the Eurasian Basin of the Arctic Ocean.

Download (590KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Seismic section of the reflection-cdt method crossing the Gakkel Ridge along the 2014-07 profile. The position of the basement (B), Eocene (EoU) and early Miocene (RU) unconformities [1] is indicated. For the position of the section, see Fig. 1.

Download (413KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Map-scheme of the slopes of the seabed of the Eurasian Basin.

Download (803KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Results of crossing the Gakkel Ridge profiler in its western part along profiles 2020_15 and 2020_13. Position of the profiles ‒ see Fig. 1.

Download (272KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Results of crossing the Gakkel Ridge profiler in its central part along profiles 2019_13 and 2019_17. Position of the profiles ‒ see Fig. 1.

Download (434KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Calculation of magnetization (A/m) of the magnetoactive layer along profile 2020_15 in the western part of the Gakkel Ridge. Shown: observed values ​​(dots in black); calculated magnetization values ​​(dots in red); correlation of relief extremes and magnetic anomalies in the zone of reverse magnetization (thin beaded lines). Average values ​​(Arabic numerals in red in brackets) of magnetization of basalts of layer 2A of the oceanic crust are given for anomalies (according to [9, 13, 19, 28]): 1 (0‒780 thousand years) – 7.6 A/m; 2A (3.5 million years) – 4.9 A/m; 5 (11 million years) – 2.7 A/m; 6 (20 million years) 2.6 A/m. Profile position - see Fig. 1, see Fig. 2.

Download (355KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Calculation of magnetization (A/m) of the magnetoactive layer along profile 2019_17 in the central part of the Gakkel Ridge. Profile position ‒ see Fig. 1, see Fig. 2.

Download (180KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Thickness of the consolidated crust in the area of ​​the Gakkel Ridge closure and the rift valley on the Laptev Sea shelf. Designated: I - platform region on the Precambrian crystalline basement; II - Taimyr-Severnaya Zemlya late Proterozoic folded region; II - area of ​​Cimmerian reworking of the Precambrian basement; IV - Verkhoyansk folded region; V - stretched continental crust and areas of Mesozoic oceanic crust; VI - oceanic crust. 1 - shear zone at the boundary of different types of crustal blocks; 2 - boundaries of different types of crustal blocks; 3 - seismically active zone of modern rifting; 4 - boundaries of the areas of Jurassic-Cretaceous sedimentation

Download (839KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Fragment of profile 20L21 ‒ intersection of the contact (shear zone) of crustal blocks of different types in the Nansen Basin. The proposed position of the basement (B), Eocene (EoU) and Early Miocene (RU) unconformities is shown.

Download (856KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Fragment of profile 20L22 ‒ intersection of the contact (shear zone) of crustal blocks of different types in the Nansen Basin, near the rift zone on the continuation of the Gakkel Ridge. The supposed position of the basement (B), Eocene (EoU) and Early Miocene (RU) unconformities is shown.

Download (730KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. The rift valley of the Gakkel Ridge intersected by profile 2015_1B in the southeastern part of the Eurasian Basin and a fragment of the sedimentary strata section beneath the rift valley. Shows: acoustic basement (black line); inferred base of Cenozoic deposits (green line), (according to [1, 26]). The enlarged fragment (bottom) shows numerous normal faults that form a graben-like structure of the rift valley.

Download (948KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Velocity model of sedimentary strata based on reflection-resonance seismography data along profile 2015-03. The age of sedimentary strata based on longitudinal wave velocities in resonance seismography columns 1-6 was determined based on the dependence (according to [23]).

Download (724KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».