Геосинклинали

В рассмотренном выше примере механизм формирования структуры осадочных толщ представлен полнее, поскольку в основе подразумеваются реальные тектонические движения блоков земной коры. Классические модели формирования геосинклиналей, рифтов также приобретают существенные отличия, если их представить в свете охарактеризованного механизма взаимодействия тороидальных мантийных структур с литосферой. Геосинклиналь в широком смысле этого понятия представляет «зону высокой подвижности, контрастных изменений геодинамических напряжений, большой мощности (10-25 км) отложений, значительной расчленённости и повышенной проницаемости земной коры, выражающейся в активном магматизме и метаморфизме. Это линейно вытянутые, дугообразно изогнутые или мозаично построенные зоны земной коры, зарождение и развитие которых тесно связано с глубинными разломами. В начальных стадиях своего развития они характеризуются преобладанием погружений (особенно геосинклинальная стадия) и морскими условиями, а в заключительных – преобладанием поднятий (орогенная стадия) и горообразованием [Геологический словарь, 1978].

Попытки выделить современные геосинклинали, используя данное определение, мало продуктивны и обычно приводят лишь к дискуссиям. Ясно, во-первых, что сравнение параметров существующих складчатых поясов (как следствия былого функционирования геосинклиналей) со строением той же островной дуги на отдельном этапе её развития не является корректным. Во-вторых, мы не можем быть уверены, что при одном и том же механизме во взаимодействии масс литосферы и мантии задействованы одинаковые удельные силы глубинного происхождения. В-третьих, во взаимодействии могут участвовать иные (по количеству) объёмы вещества. Сложно сравнивать объекты, представляющие следствие динамического развития палеопланеты и современной. Закономерное изменение во времени геологической обстановки накладывает свой отпечаток на формирующиеся тектонические структуры. Геосинклинали делятся исследователями по времени функционирования, по интенсивности проявления тектономагматизма и другим признакам. Можно предположить, что аналогично выделению в некоторых условиях «микроконтинентов» возможно выделение «микрогеосинклиналей», если остальные параметры будут соответствовать классическому набору.

Вероятно, справедливо Н.И. Николаев общее историко-геологическое понятие «геосинклиналь» считает научной абстракцией. Отвлекаясь от второстепенных (часто несколько различающихся в разных ситуациях) параметров тектонической мегаструктуры, подчеркнём главное: резкое отличие её от окружающих структур по масштабам и интенсивности тектономагматизма, по масштабам поступления эндогенной энергии (энергии движения) в литосферу. Значит, акцентируя внимание на особенностях геодинамики, показывая в таком плане формирование сложно построенных сублинейных областей земной коры – геосинклиналей и подразумевая единственность механизма взаимодействия такого рода, по крайней мере, на протяжении фанерозоя, мы оставим в стороне рассуждения о возможности считать, или не считать такие области геосинклиналями.

Примерная схема процессов изображена на рисунке 13-4. За главные области максимальных взаимодействий ведущих масс с ведомыми приняты субгоризонтальные толщи-разделы литосферы и мантии, положение которых соответствует резким сейсмическим границам: 150-170, 225, 425 и 650 км (рисунки 13-4, 13-5). Такие границы давно выделены не только по материалам региональных сейсмических исследований. Были выполнены работы по установлению волн определённой длины в спектрах современных вертикальных движений Восточно-Европейской и Северо-Американской платформ. «Как правило, установлены волны длиной в 630, 300, 210, 170, 130, 100, 80 и 65-55 км» [Николаев, 1988].

В качестве начального момента в нашем анализе тектонической перестройки земных слоёв служит формирование тела тороидальной структуры. Как концентрирующаяся часть более глобального образования такая структура начинает раскручиваться и наиболее естественно предположить, что это движение начинается от центра, начинается с самых глубинных масс (вариант «А»). Источник напряжений на такой большой глубине воздействует на соизмеримый по размерам блок литосферы, взаимодействуя с ним со скоростью ₁. Начинает формироваться сублинейная зона разломов с максимальным удалением от внешней границы ТМС. Большая глубинность источника способствует выведению в промежуточные очаги и на поверхность наиболее щёлочных, щёлочно-ультраосновных и ультраосновных расплавов. Совместно с терригенным веществом, накопившимся в пределах опускающихся блоков, они образуют сложный комплекс продуктов, выделяющийся в качестве офиолитовой формации геосинклинального облика. Ультраосновные тела в виде протрузий наиболее характерны для этой стадии. Такие массы тугоплавкого и быстро остывающего материала выжимаются в верхние части земной коры благодаря периодически существующим в этот период сжимающим напряжениям.

Продолжающаяся дальнейшая активизация движений мантийных масс является причиной деструкции литосферы с приближением нарушений к краевой части зоны влияния ТМС. Скорость взаимодействия движущегося вещества тороида с литосферой (₂) увеличивается (при одинаковой угловой скорости движения). Из очагов средней глубинности расплав поступает к поверхности, возникают вулканы. Состав вулканического материала средний и основной. Возможно участие магматического материала (и его дифференциатов) глубинных и промежуточных очагов, образовавшихся на первом этапе. Одновременно с активизацией тектономагматизма на средних глубинах, уже сформированные очаги расплавов первого этапа способствуют началу более активной инверсии (вариант «Б»).

Третий этап (вариант «В») хорошо соотносится с активизацией приповерхностных частей литосферы. Вероятно, в этот период на фоне волнового поступательного проявления уже существующих восходящих движений формируются большие объёмы вещества среднего состава, начинается стадия самых активных инверсионных поднятий, происходит образование громадных объёмов расплавов в области низких давлений. В самых верхних частях коры формируются массы кислого состава, часто генерирующие игнимбриты. Разломы, в большом количестве образующиеся при орогенезе, – служат путями поступления игнимбритов на поверхность. К этому можно добавить, что энергетический вклад в общую активизацию верхних частей литосферы вносит динамика кровельных частей ТМС – линейные скорости перемещения их наиболее высокие (скорость перемещения ₃). Завершается процесс общим воздыманием, главной причиной которого является неупругое объёмное расширение (дилатансия) – разуплотнение глубинного вещества – образование «корней» горных сооружений.

Из показанной последовательности этапов образования геосинклинали видно, что на первом этапе почти не формируются участки литосферы с максимальной проницаемостью. В начале цикла преобладает сжатие, растяжения земной коры очень слабые, нет очагов с малоглубинными магматическими расплавами. Закономерное усиление тектономагматической деятельности присуще второму и третьему этапам в развитии геосинклинальной структуры. Вероятно, в это время происходит прогревание накопившегося осадочного материала, его преобразование, в том числе и нефтегазообразование. Благоприятным фактором можно считать возможное длительное функционирование расплавов среднего состава, имеющих наиболее низкие температуры кристаллизации, отделение от материнской магмы кислых дифференциатов, также способствующих катагенезу захороненного органического вещества.

И в пределах континентальной окраины, и в океанической области перемещающееся (ведущее) вещество тороида закономерно формирует области сжатия на больших глубинах и области растяжения в веществе деформируемой литосферы. Такая закономерность давно была отмечена при анализе распределения напряжений в гипоцентрах регистрируемых землетрясений, хотя и не анализировалась в качестве причины разделения земных слоёв на литосферу и астеносферу. Между тем, динамика взаимодействия ТМС с литосферой хорошо подтверждает именно такое распределение напряжений в горных породах (см. рис. 13-5). Преобладание напряжений сжатия на больших (более 300 км) глубинах связано с воздействием перемещающихся масс тороида. В области периодического усиления сжатия и последующего снятия напряжений, а также при воздействии динамики других ТС, по-видимому, формируется сложно построенный слой – астеносфера. Из рисунка 13-4 мы видим, что толщи вещества с частичным плавлением, зарождаясь на больших глубинах, постепенно мигрируют к краевой части ТМС, а также вверх, захватывая нижние горизонты литосферы. Таким образом, получено подтверждение реального наличия геологических объектов, использованных для объяснения природы осреднённых аномалий в редукции Фая (см. раздел 9). Астеносферное вещество показано в виде сплошной области. Вероятно, в реальности это ближе к набору неких линзообразных разноглубинных тел, соединённых сложными переходами. Волноводы именно такого строения чаще фиксируются сейсмологами.

Вышележащие со сложным строением горизонты пород в целом являются более жёсткими толщами. Они достаточно хорошо воспринимают напряжения, передающиеся с глубоких горизонтов мантии, что фиксируется в своеобразном распределении гипоцентров землетрясений. При последовательной активизации движений в теле тороида от глубинных к поверхностным массам очаги землетрясений выстраиваются вдоль воображаемой плоскости, известной в качестве «сейсмофокальной зоны». Во многих случаях последняя интерпретируется как область поддвига океанической литосферной плиты под континентальную. По-видимому, существующей пониженной вязкостью нижних частей литосферы объясняется резкое различие в количестве фиксируемых землетрясений, гипоцентры которых расположены выше и ниже уровня 225-300 км (рис. 13-5).

В предложенном модельном формировании геосинклинали произошло своеобразное отделение глубоководного жёлоба от главной зоны тектономагматизма. На рисунке жёлоб показан полностью только в варианте «В». По-видимому, классический протяжённый разрыв литосферы наиболее вероятен при участии тороидальной ядерной структуры (см. раздел 12). При несовпадении воздействий ТС мантии и ядра разломообразование может быть менее интенсивным и растянутым во времени. Кроме этого, часть литосферы шириной почти 150 км оказалась не задействованной в «геосинклинальном строительстве». Перемещение глубинной области тектономагматизма к поверхности и в направлении краевой зоны ТМС ограничено благодаря существованию литосферы конкретной мощности. Из рисунка видно, что при условии концентрации максимальных воздействий тороидальной структуры в астеносфере и низах литосферы зона «инертной литосферы» будет иметь ширину, примерно равную её мощности.

Действительно, литосфера этой зоны будет испытывать минимальное воздействие со стороны ТМС, хотя и увеличивающееся к концу перестройки. В начале этапа наиболее глубинные подвижки могут вообще не способствовать разломообразованию в области будущего жёлоба. Очевидно, сформированный при активизации самых поверхностных частей тороида, глубинный жёлоб представляет наиболее «позднее» образование в общем процессе (рис. 13-4). На первый взгляд, в построениях заложен способ проверки их корректности. Для этого достаточно определить мощность литосферы в области геосинклинали и сравнить её с шириной «инертной зоны».

Для разъяснения ситуации обратимся к деталям строения земной коры Курило-Камчатского региона. Здесь при омоложении вулканизма с запада на восток (к глубоководному Курило-Камчатскому жёлобу) ширина зоны инертной литосферы составляет от 180-190 км (в районе Курильских островов) до 220 км в районе Камчатки. (Ширина соответствует расстоянию от оси жёлоба до крайних вулканов Восточной области). Характерно, что ширина зоны к северу увеличивается примерно от района Четвёртого Курильского пролива, подчёркивая переход к более мощной литосфере Камчатской области.

Мы действительно можем установить, выполняется ли соотношение «ширина – мощность», однако пользы от этого больше для теоретических выводов. Важнее дать прогноз активизации вулканической деятельности, показать направление её миграции в будущем. Увы, астеносфера – интересующий нас объект, может не существовать в законченном виде на момент прогноза. По всей видимости, она формируется в неразрывной последовательности с самим геосинклинальным процессом или иным сходным по масштабам этапом тектономагматизма.

Отметим трудности в решении «астеносферной проблемы». Выделить литосферу можно только при наличии её нижней поверхности – астеносферного слоя. Многие авторы принимают в качестве главного критерия в этом вопросе наличие слоёв с пониженной скоростью сейсмических волн и повышенной электропроводностью. Однако очевидно, что слоёв с такими геофизическими параметрами в разрезе может быть несколько. Значит, «волновод необязательно совпадает по глубине с астеносферой» [Артюшков, 1979]. Если астеносфера – это основной мощный волновод на глубинах не менее 70-200 км (по построениям Б. Гутенберга), то его выделение в областях современной тектонической активности (Карпаты, Кавказ, Памир, Байкал, Дальний Восток) вполне логично. Волновод как астеносфера здесь находится в стадии формирования – в органичной связке с современной тектономагматической деятельностью. Вывод, что астеносфера – геолого-геофизический объект, присущий определённой стадии динамической жизни конкретного объёма планетного вещества, весьма полезен. Мы получаем возможность проверки корректности построений. Частично материалы такого плана уже существуют. Волноводы «не устанавливаются под срединно-океаническими хребтами, молодыми складчатыми зонами». Практически отсутствует астеносфера под древними платформами.

Восходящий поток мантийного вещества способствует формированию астеносферы, начиная с внутренней границы «инертной литосферы» (рис. 13-4). Если срединно-океанический хребет образуется в результате воздействия двух ветвей с восходящим перемещением масс, то под СОХом искомого слоя действительно может не быть. Под молодыми складчатыми зонами толщи пород, слагающие астеносферу, по-видимому, уже консолидированы? Древние платформы, перемещённые совместно с мантийными массами, вовсе не нуждаются в существовании астеносферы, они пока или «припаяны» к субстрату, или волноводы здесь могут иметь иное строение и залегать глубже, чем в других структурных областях. В этой связи, многие спорные моменты, касающиеся характеристик главного слоя взаимодействия глубинных мантийных масс с поверхностными, проще разрешить на основе механизмов геодинамической эволюции планеты.

Возвращаясь к проблеме прогноза, отметим следующее. Целесообразно обратить внимание на действующие вулканы, расположенные в пределах океанической литосферы, и максимально удалённые от линейных или дугообразных неглубоких (ещё формирующихся) желобов. Возможно они (вулканы) являются признаком происходящей и будущей активизации тектономагматизма с перемещением опасной для человека области к внешней стороне островной дуги.

Толщи осадочных пород формируются в настоящее время в переходных между океанами и материками зонах. Активизация мощной континентальной литосферы в области воздействия на неё зарождающейся ТМС происходит по аналогичному сценарию, но масштабы перестроек заключены в широком диапазоне. Магматические образования часто отсутствуют на поверхности, осадочные и эффузивные породы по мощности различаются значительно. Длительность таких тектономагматических этапов континентального преобразования коры установить трудно, хотя и проявляются они широко. Например, в Воронежской области в районе села Горелки закартирована компактная поверхностная линза (0,5×0,5 км; мощность 1,5 м) пеплового материала, происхождение и молодой возраст которой давно смущают исследователей. Отнесение данных образований к продуктам вулканических извержений района Карпат, допущение о переносе и отложении вещества в виде компактной линзы в Воронежской области нельзя считать научным объяснением ситуации.

Однозначным может лишь быть вывод, что зафиксированные многокилометровые толщи осадочных пород, например в Днепровском грабене, не могут накопиться исключительно в платформенных условиях. Конечно, тот факт, что здесь выделяется только верхнедевонская фаза щёлочно-основного и щёлочно-ультраосновного магматизма, свидетельствует о происходившей перестройке мощной коры континентального типа. Но наличие карбонатно-терригенных, соленосных пород – признак длительных периодов существования в прошлом морских условий седиментации, и это установлено по многочисленным находкам ископаемой фауны. Сходную палеогеографическую ситуацию следует ожидать и в пределах Тунгусской синеклизы (Сибирская платформа), где пока нет однозначного мнения об условиях формирования позднепалеозойско-мезозойских отложений. (Ниже этот вопрос рассматривается полнее).

Как показано выше (см. раздел 12), своеобразными структурами земной коры являются сложно построенные чаще дугообразные области протяжённостью сотни километров и шириной 50-80 км. Размеры и своеобразие их строения также могут указывать на связь с функционировавшей ТМС, движущееся вещество которой деформировало литосферу. Специфика тектонических перестроек в таких областях заключается в существовании центростремительного перемещения кровельных масс тороидальной структуры. Следствием этого является сжатие глубинного вещества литосферы, образование кольцевых поддвиговых разломных структур (рис. 12-4). Во многих случаях проницаемость земной коры здесь практически нулевая. В астеносфере и нижней части литосферы создаются области сверхвысоких давлений, вещество подвергается дегидратации, не исключено и накопление газообразных водорода и кислорода. При нарушении такого напряжённого состояния недр или подвижками масс, организационно входящих в состав более «молодых» тороидальных структур, или в результате миграции исходной ТМС происходит резкое изменение сил тяготения (давления) и интенсивное образование расплавов. Ультраосновное вещество серпентинизируется, в результате синтеза воды выделяется громадное количество тепловой энергии (см. раздел 18). Щёлочно-ультраосновное вещество при этом по каналам прорыва поступает на поверхность в виде кимберлитов.

По-видимому, схожие условия существовали в рифее и раннем палеозое в районе Байкитской антеклизы, точнее – в пределах Камовского сводового поднятия. В этой части Сибирской платформы зафиксирована значительная по интенсивности (в редукции Буге до –80 мГал) отрицательная аномалия силы тяжести (Вельминская аномалия). Известны находки алмазов, открыты нефтегазовые месторождения. Моделирование геологической ситуации с использованием геофизических материалов показало, что реальные объекты могут существенно различаться. Классическим вариантом предполагается существование гранитизированного (с малой плотностью) глубинного вещества, часто способного создавать положительные аномалии магнитного поля. Кроме этого, наличие серпентинизированных пород на глубинах 10-15 км также удовлетворительно объясняет факт существования низких значений силы тяжести и положительных магнитных аномалий. По материалам ГСЗ скорость продольных волн в этой части коры составляет 5,9 км/с, а электропроводность (по данным МТЗ) значительно повышена. Косвенным подтверждением реальности охарактеризованной ситуации может служить следующее. Вендско-рифейские отложения, заполнившие долины погребённого рельефа, представлены преимущественно доломитами и доломитизированными известняками. Одним из источников большого количества магния в бассейне палеоседиментации вполне могли быть ультраосновные породы земной коры этой области.

Примерно такое же строение имеет доюрский рельеф (с юрско-меловыми осадками в прогибах) и в пределах Енисей-Хатангского регионального прогиба. Здесь в своё время также могли функционировать разновозрастные тороидальные структуры, сформировавшие сублинейные горстообразные поднятия с амплитудой до 3,5 км. В районах пересечения разломных структур магматизм был наиболее интенсивен, что привело к формированию мощных покровов основного и ультраосновного состава [Апанович, 1998]. Один из фрагментов такого покрова мощностью не менее 5 км известен как Гулинская интрузия центрального типа.