Глава 15 МАГМАТИЗМ 5 страница

Динамометаморфизм связан с крупными разломами, в основном надвигами, покровами и сдвигами, при образовании которых всегда возникает стресс — напряжение сжатия, ориентированное в одном

Рис. 16.5. Контактовый (локальный) метаморфизм вмещающих пород гранитного интрузива. 1 — граниты, 2 — эндоконтакт. Вмещающие породы (рама): 3 — глины, 4 — известняки, 5 — песчаники, 6 — кислые лавы. Породы контактового метаморфиз­ма (чем ближе к интрузивному массиву, тем выше степень метаморфизма): 7 — дегидратированные породы, 8 — мраморы, 9 — глинистые сланцы, 10 — филли­ты, 11 — хлоритовые сланцы, 12 — силлиманитовые сланцы, 13 — кварциты, 14 — вторичные кварциты

направлении. На глубинах, где литостатическое давление велико, под влиянием стресса породы приобретают пластическое течение, напо­минающее раздавливание пластилина в ладонях рук. При этом раз­давливаемый материал стремится выдавиться в сторону уменьшения градиента давления, а новообразованные минералы, такие как слюды, располагаются чешуйками параллельно поверхности смещения, созда­вая сланцеватость метаморфической породы. Конгломераты в таких зонах сплющиваются, длинные оси сжатых галек ориентированы по направлению перемещения, а уплощенные гальки — перпендикуляр­но сжатию. Поэтому следует различать сжатие, когда усилие направ­лено по нормали к объекту, и стресс со сдвигом, когда объект зажат между двумя пластинами, смещающимися в разных направлениях.

Динамометаморфизм проявляется в сравнительно узких зонах раз­рывных нарушений и сразу же исчезает за их пределами.

Метаморфические фации и тектоника литосферных плит. Актив­ная континентальная окраина, где океаническая литосфера погружает­ся под континентальную, представляет собой хороший пример для де­монстрации распределения метаморфических фаций и их связи с геодинамическими обстановками. Следует обратить внимание на поло­жение фации голубых сланцев, требующих для своего формирования высоких давлений и сравнительно низких температур. Они как раз и располагаются в основании аккреционного клина, где создается боль­шое давление. Амфиболитовая и гранулитовая фации находятся в нижней части континентальной коры и в самых верхах верхней ман­тии, ниже поверхности Мохо. Фации средних и низких ступеней мета­морфизма располагаются в верхней коре.

16.3. УДАРНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ

На поверхность Земли всегда падали, падают и будут падать метеориты — эти космические «гости» из нашей Солнечной систе­мы. При падении на Землю метеорита образуется кратер, или аст- роблема, которая всегда больше, чем упавший метеорит (рис. 16.6). Соударение метеорита и поверхности Земли зависит от массы тела и его скорости при движении в атмосфере, т. к. последняя играет роль тормоза. Знаменитый железный метеорит Хоба из Намибии в Африке весом 60 т не сделал даже малейшего углубления. Следо­вательно, его скорость при сближении с поверхностью Земли рав­нялась нулю.

Большинство кратеров соответствует скорости сближения с поверхностью Земли в 3-4 км/с. При такой скорости удара образует­ся ударная волна скоростью 3-5 км/с, сжимающая горные породы с силой до 100-300 ГПа, причем возрастание давления, как полагает В. И. Фельдман, происходит в миллиардные доли секунды (iu '^J с). Естественно, что это колоссальное мгновенное сжатие вызывает та­кой же быстрый нагрев пород до +10 000 °С и выше, причем нагрев происходит в момент разряжения сжатия, когда ударная волна исче­зает. Все это сопровождается дроблением, плавлением и испарением вещества мишени (рис. 16.7).

Горные породы, образующиеся при таком мгновенном ударном со­бытии, называются гшпактитами (англ. imped — удар) и подразделя­ются на три группы: 1) импактированные породы, т. е. подвергнутые воздействию ударной волны; 2) расплавленные породы; 3) импактные брекчии. Ударный метаморфизм проявляется в образовании различ­ных пород и новых минералов, в изменении структуры минералов. Все зависит от давления и температуры. При давлениях Р = 10-35 ГПа и Т = +100-300 °С в породах и минералах образуются трещины и диап- лектовые структуры в кварце и полевых шпатах, выражающиеся в сколь­жении блоков кристаллической решетки относительно друг друга (пла- нарные элементы) и в конечном итоге превращении минерала в изотропное вещество. При Р = 45-60 ГПа и Т = +900-1500 °С минера­лы становятся аморфными и начинается их плавление.

Рис. 16.6. Стадии образования взрывного (метеоритного) кратера (по Л. Н. Хряниной, 1987): а-в — I стадия — ударное сжатие, растекание метеорита в грунте; г — II стадия — экскавация и выброс грунта отраженной волной; д — III стадия — деформация или заполнение (1 — воронка, 2 — истинное дно, 3 — видимое дно, 4 — вал брекчии, 5 — лежачая синклиналь цокольного вала)

При Р = 90 ГПа и Т = +3000 °С наступает плавление горных пород, а затем их испарение. Некоторые минералы, например кварц (2,2­2,5 г/см³), переходят в более плотную (2,85-3 г/см³) модификацию, но состав при этом не меняется. Углерод может переходить в алмаз или лонсдейлит; оливин и пироксен сменяются более плотными модифика­циями. Ударный метаморфизм имеет локальное распространение и не выходит за пределы метеоритного кратера (рис. 16.8).

Рис. 16.7. Попигайская астроблема на севере Анабарского массива (Восточная Сибирь). Диаметр около 90 км, время образования — 35 млн лет назад, ранний олигоцен

Рис. 16.8. Изменение ударного давления (Р) и температуры (Т) во время импактного события (по В. И. Фельдману)

Глава 17

ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД

17.1. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ДВИЖЕНИЯ

Земная кора постоянно испытывает движения, чаще всего очень медленные, но при землетрясениях очень быстрые, почти мгновенные. Это явление было подмечено еще в далекой древности Пифагором. Известно много мест на земном шаре, где целые города оказались на дне моря, а некоторые портовые сооружения — на суше. Примерами служат поселения древнегреческих колоний на Черноморском побере­жье: Созополь в Болгарии, Диоскурия в районе современного Сухуми и др. На Коринфском перешейке, соединяющем материковую Грецию с полуостровом Пелопоннес, храм, выстроенный в I в. п. э. на суше, ныне покрыт водами моря. На Новой Земле причалы, построенные помора­ми еще в XVIII в., сейчас находятся выше уровня моря и довольно далеко от берега. Скандинавия медленно поднимается, а горное соору­жение Большого Кавказа каждый год «вырастает» почти на 1 см. Очень медленные поднятия и опускания испытывают и равнинные участки Русской плиты, Западно-Сибирской низменности, Восточной Сибири и многих других районов. Земная кора испытывает не только верти­кальные, но и горизонтальные перемещения, причем их скорость со­ставляет десяток сантиметров в год. Иными словами, земная кора как бы дышит, постоянно находясь в медленном движении.

В чем причины таких перемещений земной коры? Необходимо раз­личать кажущиеся движения, связанные с колебаниями уровня моря, и реальные, обусловленные собственно перемещениями земной коры. На побережьях океанов и морей уже давно устанавливались специальные приборы: мореографы и рейки-футштоки для измерения уровня моря. Впервые такие наблюдения стали проводиться в Швеции, а с 1731 г. — в Финляндии. Уровень моря может испытывать собственные колеба­ния — эвстатические, обусловленные разными причинами, как уже от­мечалось в главе 12 о деятельности океанов.

Таяние ледников, образование поднятий в океанах, увеличение сред­ней температуры воды, уменьшение ее плотности и т. д. — все это вы­зывает повышение уровня океана, но это не означает, что то место на побережье, где происходят измерения, опускается. Необходима обра­ботка длинного ряда наблюдений за десятки лет, чтобы выявить дей­ствительные вертикальные колебания земной коры.

Резко усиливают колебания земной коры гляциоизостатические движения, связанные с таянием ледников и «всплыванием» их после снятия нагрузки. Так поднимаются Балтийский и Канадский щиты.

Для изучения деформаций, обусловленных тектоническими или вулка­ническими процессами, используют наклонометры и деформографы с погрешностями измерений до 0,001 мм. Перед извержением вулканов под­нимающаяся магма вызывает деформацию — подъем вулканической пост­ройки, что улавливается приборами. Вообще, в вулканических областях зем­ная кора испытывает быстрые и значительные колебания. В Италии, недалеко от Неаполя, есть городок Поццуоли. В нем на древней рыночной площади сохранились колонны так называемого храма Сераписа, которые, правда, к храму не имеют отношения. На некоторой высоте от своего основания колонны изъедены сверлящими моллюсками, а ниже них поверхность ко­лонн ими не повреждена. Поццуоли находится вблизи еще недавно действо­вавших вулканов, например Сольфатары, где происходит выделение сернис­тых газов. Сооружение, выстроенное на суше в начале нашей эры, частично оказалось засыпанным вулканическим пеплом на высоту 2-3 м. Затем оно опустилось ниже уровня моря, и моллюски-камнеточцы «обработали» по­верхность мраморных колонн. После этого опять наступило поднятие. И так происходило несколько раз. Все это свидетельствует об активности тектоно- магматических движений в районе действующих вулканов (рис. 17.1).

Для выявления вертикальных движений используют повторное высоко­точное нивелирование вдоль определенных профилей, например через Боль­шой Кавказ. Такие профили, измерения на которых проводились несколько раз с интервалом 10-15 лет, дают весьма любопытные материалы о скорости и направленности современных тектонических движений (рис. 17.2).

Измерение горизонтальных движений на небольших площадях произ­водится геодезическим способом повторной триангуляции, а перемещение литосферных плит сейчас надежно установлено с помощью методов косми­ческой геодезии, точность которых весьма велика и составляет несколько миллиметров на тысячи километров. Также широко используется геодези­ческая спутниковая система GPS.

Для многих регионов мира составлены карты современных верти­кальных движений (рис. 17.3). Неоднократно такие карты составля­лись для Русской плиты и ее обрамления. Карты, учитывающие де­формацию земной коры за последние несколько миллионов лет, так называемые неотектонические карты, составлены для территории СНГ под руководством Н. И. Николаева, а кроме того, есть много регио­нальных неотектонических карт для Кавказа, Карпат, Урала и др.

200 О

zoo чоо 600 800 woo то иоо то то 2000 Время, г

Рис. 17.1. Изменение высоты поверхности и основания храма Сераписа в Поццуоли (Италия, Неаполитанский залив) с 79 г. н. э. и до настоящего времени (по А. А. Никонову): а — вертикальные движения поверхности; б — изменение скорости движения. Колонны храма Сераписа (фото Н. В. Короновского)

17.2. ПОНЯТИЕ О ДЕФОРМАЦИЯХ ГОРНЫХ ПОРОД

Всех побывавших в горах всегда поражают пласты горных пород, смятые, как листы бумаги, в причудливые складчатые узоры. Нередко слои как будто разрезаны гигантским ножом, причем одна часть слоев смещается относительно другой. Каким же образом и под влиянием каких сил горные породы могут принимать столь причудливый облик? Можно ли наблюдать этот процесс и как быстро он происходит?

В подавляющем большинстве случаев осадочные породы, образую­щиеся в океанах, морях, озерах, обладают первично горизонтальным или почти горизонтальным залеганием. Если мы видим, что слои зале­гают наклонно или вертикально, смяты в складки и т. д., т. е. их пер-.вичное горизонтальное залегание изменено, обычно говорят, что слои

Г рафик скоростей и превышений по линии Зеленчук — Сухуми (согкюташкаш результаты измерений 1931 г. и 1950 г)

График скоростей и превышений по лвнин Зеленчук — Сухуми (сопоставлены результаты измерений 1959 г. и 1975 г.)

График скоростей и превышений «о линии Зелеячук - Сухуми (сопоставлены результаты измерения 1975 г. и 1990 г.) Рис. 17.2. Результаты повторного нивелирования через Большой Кавказ (по Д. А. Лилиенбергу)

подверглись действию сил, причина возникновения которых может быть разнообразна. Чаще всего имеют в виду силы, приложенные к пластам горных пород либо вертикально, либо горизонтально. Надавите на тет­радку снизу, она изогнется вверх: а если вы ее будете сдавливать с краев, положив на стол, она сомнется, и тем сильнее, чем больше будет сила сжатия и чем дольше она будет действовать. Такие силы называются

а чя -i
поверхностными, т. к. они приложены к какой-то поверхности пласта горных пород — нижней или боковой (рис. 37-43 на цветной вклейке).

Однако в природе, кроме поверхностных, важную роль играют и объемные силы. Горная порода, например каменная соль, будучи легче окружающих пород, всплывает очень медленно (1-2 см в год), но в течение миллионов лет.

О 100 км Рис. 17.3. Современные тектонические движения земной коры Великобритании в километрах. Северная часть страны поднимается после освобождения от леднико­вого покрова, а юго-восточная — испытывает опускание

л Ь

Понятие о деформациях. Из физики известно, что изменение объема и формы тела вследствие приложенной к нему силы называется дефор­мацией. Когда мы сжимаем в руке резиновый мяч, изгибаем палку, ударяем молотком по кирпичу, мы имеем дело с деформацией тела вплоть до его разрушения. Причины деформаций могут быть очень разными. Это и сила тяжести, самая универсальная из всех сил; это и влияние температуры, при возрастании которой увеличивается объем;

это и разбухание, увеличение объема пород за счет пропитывания во­дой; это и просто механические усилия, приложенные по определенно­му направлению к толще пород, и многое другое.

Важно помнить, что любая деформация происходит во времени, которое в геологических процессах может составлять десятки милли­онов лет, т. е. деформирование происходит очень медленно. Огромная длительность геологических процессов делает очень трудным их моде­лирование в лабораторных условиях, т. к. невозможно воспроизвести такие огромные временные интервалы.

Деформации бывают упругими и пластическими (рис. 17.4). В первом случае после снятия нагрузки тело возвращается в исходную форму (резиновый мяч), а во втором — нет (кусок пластилина) и сохраняет некоторую остаточную деформацию. Если прилагаемая к любому телу, в частности к горным породам, нагрузка возрастает, то тело, сначала деформируемое как упругое, переходит критическую величину, называемую пределом упругости, и начинает деформиро­ваться пластически, т. е. его уже невозможно вернуть в исходное состояние. Если же нагрузку увеличивать и дальше, то может быть превзойден предел прочности, и тогда горная порода должна разру­шиться.

Слои горных пород, первоначально залегая горизонтально, впослед­ствии оказываются деформированными, причем степень деформации может колебаться от очень слабой до исключительно сильной, когда мощные слоистые толщи оказываются перемятыми подобно клочку бумаги, сжатому в кулаке (рис. 17.5-17.8).

Когда понятия «твердый», «мягкий», «хрупкий», «пластичный» ис­пользуют в обыденной жизни, то всем ясно, что камни твердые, плас­тилин — вязкий и пластичный, кирпич — твердый и хрупкий одновре­менно. Но как эти привычные нам понятия перенести на горные породы,

Рис. 17.5. Типы залегания горных пород: I — складчатое, II — горизонтальное, III — наклонное (моноклинальное)

Рис. 17.6. Слабо дислоцированные отложения верхоянского комплекса в Центральном Верхоянье

Рис. 17.7. Крутая моноклиналь верхнеюрских карбонатных отложений Караби-яйлы, 1-я гряда Крымских гор (фото М. Ю. Никитина)

Рис. 17.8. Моноклинально залегающие отложения. Верхоянский хребет

такие как известняк, мрамор, гранит, песчаник, базальт и др.? Извест­но, что воск — твердое вещество. Уроните свечку, и она расколется. Но если воск нагревать, он становится пластичным. Вывороченные при ремонте тротуара плитки асфальта, сложенные грудой и оставленные в таком виде под лучами солнца на длительное время, в конце концов расплывутся и деформируются.

Рис. 17.9. Антиклинальная (А) и синклинальная (Б) складки. В ядре антиклинали располагаются более древние породы, чем на крыльях. В синклинали — наоборот

А

Смотря на смятые слои мрамора или известняка, мы понимаем, что они испытали пластическую деформацию, и нам кажется, что силы сжатия, приложенные к ним, были очень велики, т. к. породы твердые. На самом деле прилагать большие усилия совсем не обяза­тельно. Все зависит от времени, и если очень долго (сотни тысяч и миллионы лет) создавать небольшое усилие, то твердые на первый взгляд слои горных пород будут изгибаться, подобно слоям из плас­тилина.