Тектонический анализ

Состав и строение Земного шара кардинально меняются с глубиной (от поверхности к центру). Оболочки Земли получили название геосфер. В какой-то мере состав и строение каждой геосферы меняется и по простиранию (по латерали), но эти изменения оказываются несравненно меньшими. Целью тектонического анализа является реконструкция истории Земли на основе изучения особенностей развития каждой её геосферы. Однозначные результаты исследования достигаются при непосредственном контакте исследователя с изучаемым предметом. При изучении недоступных для непосредственного наблюдения недр Земли контакт оказывается невозможным, поэтому применяются так называемые «дистанционные» методы исследования, при которых вместо требующихся данных определяются другие, коррелятивно связанные с первыми.

Важной задачей исследования земных недр является изучение закономерностей изменения с глубиной удельной плотности слагающего их вещества. Значимость этого параметра состоит в том, что в нем отражаются как особенности химического состава вещества, так и давление окружающих масс, определяющее его минеральную структуру. При расчете удельной плотности вещества дистанционным путем сначала определяется скорость прохождения продольных сейсмических волн на исследуемой глубине, а затем по полученным данным вычисляется удельная плотность вещества. Скачкообразные повышения удельной плотности вещества с глубиной позволили выделить в составе Земли три геосферы: твердую оболочку (земную кору), мантию и ядро. Каждая геосфера в свою очередь состоит из более дробных подразделений.

В последние десятилетия вместо подразделения «земная кора» (мощность от 5-10 до 30-60 км) обычно употребляется подразделение «литосфера» – каменная оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть верхней мантии. Мощность литосферы составляет на континентах около 100-120 км, а в океанических впадинах – первые десятки километров. Снизу литосфера ограничена пластичным слоем– астеносферой, причем эта граница выражена весьма нечетко. По-видимому, на разных участках она проходит на разной глубине.

На современном этапе развития науки задачи изучения земных недр значительно расширяются. Такие исследователи как А.В. Пейве, В.Е. Хаин, Ю.М. Пущаровский, С.В. Аплонов полагают, что нельзя ограничиваться изучением литосферы, как источника полезных ископаемых. Изучение других геосфер также может дать значительный социально-экономический эффект (например, изучение мантии может приблизить решение проблемы прогнозирования землетрясений).

4.1. Формационный анализ

Термин «формация», введенный в геологическую литературу в XVIII веке немецким геологом Вернером, получил широкое распространение в естественных науках (почвоведении, ботанике, зоологии). В ХХ веке понятие «геологическая формация» широко использовали советские ученые (М.А. Усов, Н.С. Шатский, Л.Б. Рухин, Н.Б. Вассоевич и другие), причем каждый вкладывал в него несколько различное содержание. Авторы данной книги трактуют понятие«геологическая формация» как комплекс отложений, накопившихся в строго определенном типе тектонического режима. Целью формационного анализа является реконструкция палеотектонического режима, существовавшего в момент накопления данной формации. В настоящее время установлено, что в геологической истории Земли области земной коры океанического типа, переживая стадию геосинклинального развития, превращались в участки континентов и, наоборот, участки континентов в результате разрушения гранитного слоя в зонах растяжения превращались в участки земной коры океанического типа.

4.2. Современные представления о строении Земли

Выделение геосфер производилось на основе изучения изменения состава Земли с глубиной, поэтому до недавнего времени главная роль в геологическом развитии Земли отводилась вертикальным (радиальным) движениям. Во второй половине ХХ века широкое распространение получила концепция тангенциальных движений блоков литосферы – литосферных плит. Впервые эти представления были высказаны Альфредом Вегенером в начале ХХ века. Гипотеза Вегенера (мобилизм) вначале имела успех, а потом была забыта в силу малой доказательности. В 60-х годах ХХ века в результате появления новых данных о геологическом строении океанических впадин и Антарктиды мобилистическая концепция была «реанимирована» в виде «тектоники плит», позднее получившей название «геодинамика». В состав литосферных плит входят участки континентов и океанических впадин, но какие-то из них преобладают, определяя название плиты (континентальная или океаническая). Скорость перемещения плит варьирует от 1 до 15 см/год. До недавнего времени большинство ученых рассматривало движение литосферных плит как основу («каркас») геологической истории Земли.

Различают несколько видов движения плит: конвергентное (навстречу друг другу), дивергентное (расхождение плит), сдвиговое (движение плит вдоль их границ) и вращательное. При конвергентном движении двух континентальных плит в зоне их столкновения (зоне коллизии) наблюдается увеличение мощности земной коры (скучивание), и формируется цепь высоких гор (Гималаи). В процессе конвергентного движения континентальной и океанической плит обычно происходит подныривание океанической плиты под континентальную – субдукция (рис. 93, 9). В глобальном рельефе Земли зоны субдукции выражены дугообразными цепями вулканических островов (рис. 93, 11), сопряженных с глубоководными желобами (рис. 93, 9-10). К настоящему времени детально изучены зоны субдукции на западной (Евразиатско-Австралийской) и восточной (Американской) окраинах Тихого океана.

На западной окраине океана зона субдукции имеет трехчленное строение: глубоководная впадина (Охотское, Японское, Берингово моря), цепи островных дуг (рис. 93, 11) (Курильские, Японские, Алеутские) и глубоководный желоб (Курильский, Японский, Алеутский). У восточной окраины зона субдукции имеет двухчленное строение, поскольку глубоководная впадина здесь отсутствует. Вместо цепи островных дуг располагается цепь вулканических гор (рис. 93, 5) (Анды, Кордильеры), у подножья которых протягивается система глубоководных желобов (Чилийский, Перуанский, Панамский, Мексиканский).

При дивергентных движениях формируются зоны расхождения океанических плит – зоны спрединга, выраженные в рельефе дна океанов системой срединно-океанических хребтов (рис. 93, 2), общей протяженностью около 60000 км (1,5 длины экватора). В осевых зонах этих хребтов за счет конвективных дижений мантийного вещества и подъема магмы, раздвигающей литосферные плиты (рис. 93, 1), наблюдается интенсивный вулканизм и повышенный тепловой поток. В итоге образуется новая кора океанического типа. Обнаружение подвижности литосферных плит, изменяющее представления о тектонической активности литосферы, знаменовало наступление качественно нового этапа развития геологии.

С позиций концепции движения литосферных плит была решена проблема образования гранитов в недрах Земли (рис. 93, 4), являвшаяся на протяжении нескольких десятилетий одним из наиболее дискуссионных вопросов геологии. Содержание калия и натрия убывает с глубиной, поэтому образование гранитной магмы, обогащенной этими элементами, а также образование гранитоидов метаморфическим путем оставалось непонятным. Однако было известно, что калий и натрий накапливаются в морских осадках. Согласно тектонике плит, океаническая плита, нагруженная морскими осадками с высоким содержанием калия и натрия, движется к окраине океанической впадины в зону субдукции, где погружается под континентальную плиту.

М а н т и я

Рис. 93. Схема движения литосферных плит и строения земной коры.

1 – верхняя мантия (стрелками показаны конвекционные движения), 2 – срединно-океанические хребты (зона спрединга), 3 – базальтовый слой океанической коры, 4 - гранитный слой континентальной коры, 5 – вулканияеские горы над зонами субдукции, 6 – базальтовый слой континентальной коры, 7 – молодые складчатые горы, 8 – острова, 9 - 10 – глубоководные желоба (зоны субдукции), 11 – островные дуги

При погружении происходит её разогрев за счет трения. Морские осадки, соскабливающиеся с плиты (процесс аккреции), частично

расплавляются, превращаясь в магму, частично подвергаются метаморфизму. Становится понятным, почему часть гранитов имеет магматическое происхождение, а другая образовалась за счет процессов метаморфизма.Первоначально тектоника плит рассматривалась как альтернатива учению о тектонически пассивных и активных геоструктурах – платформах и геосинклиналях. Это учение было разработано во второй половине XIX века Д. Холлом, Д. Дана и А.П. Карпинским. Позднее были выявлены черты сходства обеих концепций. В частности, представления о формировании гранитов в зоне субдукции в какой-то мере соответствуют концепции этапности развития геосинклинали, превращающейся в результате консолидации в участок земной коры континентального типа.

По мере накопления фактического материала стало очевидным, что тектоника плит, основанная на признании ведущей роли горизонтальных дислокаций, не отражает в полной мере геологические процессы недр Земли. В частности, была установлена значительная роль плюмов – радиальных столбообразных формирований флюидов диаметром до 100 км – в массоэнергообмене Земного шара. Возник особый термин «плюмтектоника», подчеркивающий их роль в геологических процессах. В настоящее время не вызывает сомнений многообразие вертикальных и горизонтальных перемещений в пределах мантии. Можно предполагать, что они происходят и в ядре. Таким образом, термин «геодинамика», объединяющий комплекс радиальных и тангенциальных движений в недрах Земного шара, оказался весьма удачным. С этих позиций рассматриваются ниже основные геосферы Земли.