ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Цыкин Ростислав Алексеевич Сазонов Анатолий Максимович Прокатень Елена Вячеславовна

Дисциплина «Геотектоника и геодинамика» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Красноярск, 2008

УДК 551.24

Цыкин, Р.А.

Конспект лекций по дисциплине «Геотектоника и геодинамика» по на- правлению 130 300 «Прикладная геология», специальность 130 301 «Геоло- гическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых» / Р.А. Цыкин, А.М. Сазонов, Е.В. Прокатень. - Красноярск: Сиб. Федер. Ун-т, 2008. – 78 с.

Систематически рассмотрены 16 тем, объединенных в 4 модуля: 1. Оболочки, виды движений и свойства литосферы (4 лекции). 2. Механизмы структурообразования в земной коре (6 лекций). 3. Историческая геотектони- ка (4 лекции). 4. Геодинамика (2 лекции). Общий объем лекционного курса 32 часа. Разработка тем выполнена с учетом учебных пособий последних лет издания и трудов по фундаментальным проблемам геотектоники, включая оценки современного состояния геотектоники и геодинамики.

Рис.1, табл. 2, библиогр. 8 назв. Печатается по решению Редакционно-издательского совета СФУ

Сибирский федеральный университет, 2009

2

Заключение Литература

76 77

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Модуль 1. Оболочки, виды движений и свойства литосферы

1. Общие сведения о предмете геотектоники 5

2. Тектоносфера и литосфера 10

3. Неотектонические движения и деформации 14

4. Методы палеотектонического анализа 18

Модуль 2. Механизмы структурообразования в земной коре

5. Строение океанского дна и происхождение океанов 22

6. Эволюция геосинклинально-складчатых поясов 27

7. Континентальные платформы 31

8. Тектоника континентальных рифтов и впадин 36

9. Орогенез и тектоно-магматическая активизация 39

10. Глубинные и крупные коровые разломы 44

Модуль 3 Историческая геотектоника

11. Цикличность геологического развития 48

12. Тектонические карты 51

13. Основные этапы эволюции земной коры 56

14. Обзор геотектонических гипотез 62

Модуль 4. Геодинамика

15. Геодинамические реконструкции 67

16. Состояние и тенденции развития геотектоники 72

3

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Геотектоника и геодинамика», преподаваемая в VIII се- местре обучения, имеет важное значение при подготовке инженерных кадров геологов. С одной стороны, она углубляет и формирует знания о внутреннем строении Земли, о процессах, порождаемых тепловой энергией ядра и ниж- ней мантии, о взаимосвязях планеты с ближним и дальним Космосом, о структурообразовании в земной коре, с которым связаны месторождения рудных и нерудных полезных ископаемых. С другой стороны, она знакомит студентов с современными представлениями о происхождении Земли и ее оболочек, с основами истории формирования крупных геоструктур конти- нентов и слагающих их геологических формаций, о необратимо-циклическом развитии земной коры. Правомерно заявить, что геотектоника во многом спо- собствует формированию профессионального мировоззрения будущих спе- циалистов.

Дисциплина многопрофильная, основные разделы ее такие: а) оболоч- ки, виды движений и свойства литосферы, б) механизмы структурообразова- ния в земной коре, в) историческая геотектоника, г) геодинамика. Последова- тельное изложение учебного материала достигается прочтением 16 двухчасо- вых лекций, содержание которых приведено в данном конспекте. В материа- ле лекций соблюдены принципы преемственности знаний, их развития и уг- лубления. Изложение материала настраивает слушателей на творческую ак- тивность в процессе самостоятельной работы. В качестве иллюстративного материала приведены тектонические схемы и разрезы, способствующие вос- приятию раскрываемых понятий и представлений. Эти иллюстрации при чте- нии лекций будут воспроизведены на интерактивной доске с соответствую- щими комментариями. В лекционном курсе изложены основы тектонической картографии. В заключительной лекции рассмотрено современное состояние геотектоники и геодинамики и сделан вывод о вероятности существенного прогресса в совершенствовании теоретических оснований дисциплины, что неизбежно повлияет на эффективность геологоразведочных работ.

4

1. Общие сведения о предмете геотектоники

1. Определение геотектоники и геодинамики, цели и задачи курса. 2. Разделы геотектоники и ее связи с ведущими геологическими науками. 3. История развития геотектоники.

4. Зонально-сферическое строение Земли.

Геотектоника – наука о внутреннем строении Земли, истории формиро- вания геоструктур земной коры, источниках энергии и типах тектонических движений. Геодинамика – раздел геотектоники, рассматривающий структу- рообразование в земной коре в соответствии с теорией образования и движе- ния литосферных плит. Цели учебной дисциплины – формирование у студен- тов представлений о внутреннем строении и саморазвитии Земли, о земной коре, сферах мантии, ядре, о типах тектонических движений, основных меха- низмах структурообразования и эндогенных режимах, о литосферных плитах, типах их границ и перемещениях на сфере. Задачи изучения – усвоение пред- ставлений о веществе и термодинамических параметрах внутренних сфер Земли, о главных структурах земной коры, их формировании в связи с ман- тийными и коровыми процессами, о методах изучения неотектоники и палео- тектоники, о направленно-циклическом развитии земной коры, изучение ме- тодов чтения и построения тектонических карт, приобретение навыков тек- тонического анализа и моделирования.

Разделы геотектоники следующие: а) морфологическая тектоника (структурная геология), б) региональная тектоника (особенности и история формирования структур геолого-географических регионов), в) историческая тектоника (обоснование этапов становления структур земной коры, эволюция эндогенных режимов, выделение тектонических циклов, г) динамическая тектоника (тектонофизика, физика Земли), д) геодинамика (образование, движение, взаимодействия литосферных плит). Геотектоника наиболее тесно связана с региональной и исторической геологией, геофизикой, стратиграфи- ей, геологическим картированием, металлогенией и планетологией.

Региональная геология содержит сведения о структурных элементах территорий, отличающихся основными особенностями геологического строения (регионов), историческая геология интерпретирует ход геологиче- ского развития платформ и складчатых систем – чередование трансгрессий и регрессий, эпохи складчатости и магматизма, изменение органического мира как следствие эволюции внешних оболочек Земли и земной коры. Геофизика поставляет необходимые сведения о гравитационном, магнитном и сейсмиче- ском полях, отражающие вещественные и плотностные неоднородности зем-

5

ной коры. Стратиграфия отражает эволюцию осадочной оболочки земной ко- ры и даѐт необходимые сведения для построения геохронологической шкалы и, соответственно, датирования эпох и фаз складчатости и магматизма. Гео- логическое картирование поставляет фактический материал для составления специальных карт и схем. Металлогения является вещественным отражением геотектонического развития. Планетология поставляет сравнительный мате- риал для интерпретации внутреннего строения, происхождения Земли и эво- люции еѐ оболочек.

Геотектоника сформировалась как самостоятельная наука в начале ХХ в., а геодинамика – в шестидесятые годы минувшего столетия. Ранее вопросы структурообразования в земной коре, ее движениях и деформациях, построе- ние гипотез образования и развития Земли рассматривались в недифферен- цированной геологии и естествознании. Академик В.Е. Хаин выделил пять этапов предыстории и истории геотектоники. Первый этап (ХVII-XVIII в.в.) суммировал представления мыслителей древности и средних веков об изме- нениях земной поверхности, образовании минералов, горных пород и руд, о формах геологических тел. Еще в античное время наметились два представ- ления в объяснении механизма формирования геологических тел – непту- низм, придавший главную роль морям, и плутонизм, считавший первоисточ- ником геологических процессов внутреннее тепло Земли. В 1669 г. итальян- ский богослов Н. Стенон сформулировал положения, заложившие основы стратиграфии и структурной геологии: 1) слои первоначально накапливаются горизонтально и нижний слой является самым древним; 2) если более древ- ний слой наклонен, то его деформация произошла до накопления верхнего слоя; 3) горы не представляют собой постоянной величины, то есть возника- ют и исчезают. Видные естествоиспытатели Р. Декарт и Г. Лейбниц писали, что Земля первоначально была расплавленным телом, а затем остыла и по- крылась твердой корой. Сгущение паров породило Мировой океан, а уход вод в подземные пустоты создал сушу.

Второй этап (начало ХIX в.) заложил основы геологических знаний в процессе противоборства концепций нептунизма (А. Вернер) и плутонизма (Дж. Геттон). На этом этапе возникла стратиграфия, множился опыт геологи- ческого картирования в странах Европы, возник и пользовался популярно- стью катастрофизм (Ж. Кювье и А. Броньяр), позитивной стороной которого было выделение орогенических (тектонических) фаз. Этап завершился появ- лением знаменитой книги англичанина Ч. Лайеля «Основы геологии», вне- дрившего в естествознание принципы эволюционизма и актуализма. Третий этап охватывает вторую половину XIX в. Он знаменуется обоснованием французом Эли де Бомоном гипотезы контракции, пользовавшейся популяр- ностью более 70 лет. Эта гипотеза основывалась на представлениях об охла- ждении Земли и уменьшении ее радиуса, вследствие чего жесткая земная ко- ра испытывала деформации. Складкообразование происходило циклично, в

6

ходе 32 циклов, обоснованных ранее катастрофистами. В течение каждого цикла создавались системы складок определенных простираний. Зародилось учение о геосинклиналях (американцы Дж. Холл и Дж. Дэна), которым позд- нее француз Э. Ог противопоставил «континентальные площади» (платфор- мы). В конце этапа появился фундаментальный трактат австрийца Э. Зюсса «Лик Земли» и работа Э. Ога «Геосинклинали и континентальные площади», вслед за которой он издал книгу «Геология», выдержавшую несколько изда- ний в русском переводе.

Четвертый этап (первая половина ХХ в.) знаменателен обособлением геотектоники, появлением первых тектонических схем, обоснованием ряда гипотез развития Земли и земной коры, которые подорвали господство кон- тракционной гипотезы. За короткое время были опубликованы гипотезы под- коровых течений (О. Ампферер, 1906), расширяющейся Земли (Б. Линдеман, 1927), пульсаций (В. Бухер, 1933, М.А. Усов, 1939), плавания континентов (А. Вегенер, 1912). Трудами советских геологов, академиков А.Д. Архангель- ского и Н.С. Шатского было обосновано учение о геосинклиналях и плат- формах как основных структурах континентов. В ходе геологического разви- тия площади платформ наращиваются за счет завершивших развитие гео- синклиналей. На этом этапе сформулированы представления о глубинных разломах (академик А.В. Пейве, 1945), о неотектонике (В.А. Обручев и Н.И. Николаев, 1949), геологических формациях (Н.П. Херасков, А.Б. Вассоевич, В.И. Попов и др.). В эти годы появились первые учебники – сначала по структурной геологии (Б. и Р. Уиллисы, Ч. Лизс, М.А. Усов), а затем – по гео- тектонике (М.М. Тетяев, Е.В. Милановский, В.В. Белоусов).

Пятый этап (вторая половина ХХ в.). Развитие теоретических основа- ний дисциплины позволило развернуть работы по составлению обзорных и региональных тектонических карт СССР (Н.С. Шатский, 1952 и 1956, Т.Н. Спижарский, 1966), Европы (международный коллектив под редакцией А.А. Богданова (1964), Евразии (А.Л. Яншин, 1966). Были составлены сред- немасштабные карты Кавказа, Урала, Казахстана, Якутии, Северо-Востока России. Кроме того, были изданы специальные тектонические карты (Докем- брия континентов, Возраста континентальной коры, Неотектоники, Разломов СССР и сопредельных стран). При тектонических исследованиях стали ис- пользоваться космические снимки территорий. Если в начале этапа карто- графирование авторские коллективы осуществляли на основе возрастного и структурно-исторического принципов, то в последней четверти ХХ в. стали все шире применять геодинамические интерпретации, что обусловлено раз- витием учения (теории) плитотектоники. Это стало возможным вследствие успехов в геофизическом изучении морского и океанского дна, бурением скважин с буровых платформ и спутниковой альтиметрии водной поверхно- сти. Итогом этой работы было издание сводок по тектонике плит (К. Ле Пи- шон, Ж. Франшто, Ж. Боннин, 1977) и геодинамике (Л.П.Зоненшайн, Л.А.

7

Савостин, 1979). Параллельно развивались представления о тектонической расслоенности литосферы (А.В. Пейве, Ю.А. Пущаровский и др., 1990) и плюмтектонике – температурно-плотностных неоднородностях мантии с подъемом и опусканием колонн вещества до границы с ядром (Н.Л. Добре- цов, А.Г. Кирдяшкин, 1994).

Новое тысячелетие знаменует наступление очередного этапа геотекто- ники, о чем свидетельствует недавно вышедшая сводка «Фундаментальные проблемы общей тектоники» (2001), публикации в научных журналах и но- вые книги. Они свидетельствуют о создании новой парадигмы – системы взглядов, учитывающих экспериментальные исследования вещества при сверхвысоких температурах и давлениях, развертывание глубинного геофи- зического зондирования и сейсмотомографии, компьютерного моделирова- ния эндогенных режимов.

Внутренние геосферы Земли (сверху вниз) состоят из земной коры (около 0,6 % земного радиуса), мантии толщиной около 2900 км, внешнего жидкого ядра (2250 км) и внутреннего – твердого (около 1200 км). Оболочное строение планеты было установлено еще в начале ХХ в., благодаря анализу сейсмограмм крупных землетрясений.

О составе внутреннего ядра судят по метеоритам, среди которых есть железные с высоким содержанием никеля. В ядре присутствуют также крем- ний, кислород, сера и водород (гидриды железа). Внешнее ядро обнаружива- ет свойства вязкой жидкости (не проходят поперечные сейсмические волны). В его составе ведущую роль играет металлическое и закисное железо, увели- чиваются количества Si, O, S. Мантия Земли имеет более сложный состав, обусловленный соединениями Si, Mg, Fe, Al, Ca и О. Ученые обсуждают не- сколько вариантов состава верхней мантии – пиролитовый (главные минера- лы оливин, пироксены и гранат в соотношении 4:2:1), пиклогитовый (пирок- сен, гранат, оливина до 40 %), эклогитовый (пироксен-гранатовый), лерцоли- товый со шпинелью (оливин-пироксеновый). С ростом температур и давле- ний в направлении ядра предполагаются структурные перестройки вещества с образованием все более плотных модификаций. Нижняя часть мантии предположительно состоит из фазы со структурой перовскита (Mg, Fe) SiO3 - 70 % и магнезиовюстита (Mg, Fe)O – 20 %. Оставшиеся 10 % приходятся, ве- роятно, на оксиды кремния, магния, железа и алюминия.

На основе интерпретации сейсмических данных, полученных на сейс- мостанциях разных стран при сильных и катастрофических землетрясениях, в шестидесятых годах ХХ в. К Буллен выделил следующие сейсмические «слои» внутри земного шара (с изменениями):

А – земная кора (континентальная), толщина около 40 км, плотность вещества 2,7-3 г/см3;

В – верхняя мантия до глубины 400 км, плотность 3,3 – 3,65 г/см3; 8

В1 – слой до глубины 670 км (верхняя мантия по Н.Л. Добрецову и др.), плотность 3,7-3,8 г/см3;

С – средняя мантия до глубины 900 км, плотность 3,8-4,7 г/см3; Д – нижняя мантия до 2800 км, плотность 4,8-5,7 г/см3; Д1 – переходный слой до 2850 км, плотность 6-9 г/см3; Е – внешнее ядро до 4980 км, плотность 9,4-11,5 г/см3;

F – переходный слой до 5120 км, плотность 11,6-12 г/см3;

G – внутреннее ядро до центра планеты около 6370 км, плотность 12,1- 12,3 г/см3.

С учѐтом данных сейсмической томографии Ю.М. Пущаровский в 2001 г. выделил следующие оболочки мантии:

Литосфера до 200 км; Верхняя мантия до 670 км; Переходный слой I - 670-840 км; Средняя мантия до 1760 км; Переходный слой II до 2200 км; Нижняя мантия до 2900 км; Переходный слой III до 2900 км

Земную кору подразделяют на океанскую и континентальную. Кроме того, имеются переходные типы – субокеанский и субконтинентальный. Оке- анская кора имеет трехчленное строение: а) осадочный слой переменной мощности (от 0 до 10-15 км), сложенный отложениями кайнозоя – позднего мезозоя; б) базальтовый (1,5-2,5 км), сложенный толеитовыми базальтами с прослоями кремнистых осадков; в) габбро-ультраосновной. Строение первых двух слоев изучено по данным глубоководного бурения, третьего – по ре- зультатам драгирования раздвигов океанского дна.

Земная кора континентов имеет толщину 30-75 км (в среднем, около 40 км), для нее предложены трех-четырехслойная модели. Верхним является осадочный слой (0-22 км), сложенный слабо и умеренно деформированными и не метаморфизованными отложениями с возрастом от рифея до кайнозоя. Второй слой – гранитно-метаморфический толщиной от 5-8 до 30-35 км. По- роды этого слоя обнажены на кристаллических щитах и имеют, главным об- разом, архей-раннепротерозойский возраст. Именно этот слой является оп- ределяющим для континентальной коры, геологический возраст которой оценивается по возрасту интрузивных и метаморфических комплексов этого слоя. Третий слой в одной из альтернативных точек зрения имеет диорито- вый состав, глубже выделяют гранулит-базитовый (четвертый). В другой мо- дели третьим слоем является гранулит-базитовый, отделенный от гранитно- метаморфического слоя сейсмической границей Конрада. Ниже земной коры

9

расположена мантия, различимая по скачку скоростей сейсмических волн от 7,4-7,6 до 8 – 8,2 км/с (граница Мохо). В верхней мантии местами фиксирует- ся падение скоростей сейсмических волн, на основании чего выделена асте- носфера. Все, что лежит выше астеносферы, относят к литосфере (земная ко- ра + надастеносферная мантия).