учебники / Гаврилов В.П. «‎Общая и историческая геология и геология СССР»

С nомощью гео.морфологических ,четодов изучают I:lовей­

шие и современные деформации коры, особенно четко просле­

живающнеся вдоль «живущих» разломов. Классическим при­ мерам последних может служить сдвиг Сан-Андреас, протянув­

шийся от г. Пойнт-Арена (к северу от г. Сан-Франциска) на

юга-восток до Калифорнийского залива на расстояние 900 км.

Вдоль этого разлома х·орошо наблюдается смещение речных

русел, достигающее 25 км. Подвижки по разлому, происходив­ шие в 1940 г. во время очередного землетрясения, привели к перемещению русла искусственного канала на 5 м. Под ост­

рым углом к разлому подходят складки волочения, выражен­

ные в рельефе местности пологими увалами.

Геодезuческие методы позволяют с большой точностью фик­ сировать современные горизонтальные движения. Повторными триангуляциями вдоль сдвига Сан-Андреас установлена ско­

рость горизонтальных смещений, равная 1,5 см/год. С момента

зарождения этого разлома (конец юры) общее горизонталь­

ное смещение составило около 600 км. Геодезическими мето­

дами установлены горизонтальные смещения в центральных

районах Европы (Южная Бавария) до 2,5 см за 100 лет. В наибольшей степени повторной триангуляцией охвачена тер­ ритория Японии. На основе наблюдений для этой территории

составлена карта горизонтальных движений, которая показы­

вает, что горизонтальные перемещения на юга-западе Японии

связаны с растяжением коры, а на северо-востоке-со сжа­

тием. Повторным определением географических координат удалось установить, что Северная Америка удаляется от Ев­

ропы. П-ов Калифорния движется к северу, в направлении от североамериканского континента; африканский и европейский

берега Средиземного моря сближаются; Индийский п-ов пере­

мещается в северном направлении и т. д.

В последнее время для изучения современных горизонталь­

ных и вертикальных движений стали применять астрономиче­

ские методы, анализ структурного рисунка местности с по­

мощью искусственных спутников Земли, лазерные лучи и т. д.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите методы изучения вертикальных тектонических движений.

2.Раскройте метод мощностей. На чем он основан? Что такое изо­ nахиты?

3.Составьте условную карту изоnахит, отражающую nалеоnоднятие, nа­

леовnадину, проявляющийся разлом.

4. Составьте условную серию палеотектонических карт (на основе карт

изопахит), где было бы отражено унаследованное и неуиаследованное разви­

тие структурных элементов.

5.Что такое палеотектонические nрофили? Как они строятся?

6.Что такое фация?

7.В чем разница между биофациальным и литофациальным анализами?

191

Н. Ня I<акие группы делят фацни't

9. ОхаряJ<теризуйте морские фации.

10 РассJ<ажнте о фацнях бассейнов ненормальной соленостн.

11.Охарактеризуйте континентальные фацин.

12.Составьте условную лнтофацнальную схему, покажите на ней обла­ стн подвятня, проrибання исходя из особенностей распределения литофа­

цнальных I<ОМПЛСКСОВ.

13.Что понимается под палеоrеоrрафнческимн картами? Что на них по-

1\азывают?

14.Что такое формация? Их типы.

15.Сущность метода формаций.

схему.

18.Какие методы используют для изучения новейших и современных

вертикальных движений? Приведите примеры.

19.Персчислите методы изучения горизонтальных движений.

20.Как можно использовать метод формаций для изучения горизонталь-

ных движений?

21.Что такое «дикий флиш», олистостромы, олистолиты?

22.В чем сущность палинспастическоrо метода?

23.На чем основан палеомаrнитный метод?

24.Сущность метода несоrласий.

25.Какими методами изучают проявление новейших и современных го­

ризонтальных движений? Приведите примеры.

Глава 12

ПРИЧИНЫ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИй

Выяснение nричин тектонических движений и геологического развития литосферыодна из важных задач современной гео­ логической науки. Существуют различные гиnотезы, объясня­ ющие причины геологического раэвития Земли. Обычно их де­ лят на две груnпы: фикснетекие и мобилистские. Пе-рвые объ­ ясняют развитие Земли, не привлекая для этого представления о гориз·онтальном перемещении материковых блоков лито­ сферы (гипотезы: контракционная, расширяющейся Земли, пульсационная, глубинной дифференциации); вторые видят причину геологического развития Земли в горизонтальном nе­ ремещении nластин литосферы (гиnотезы: дрейфа материков,

глобальной тектоники плит, горячих точек).

§ 1. ФИКСИСТСКИЕ ГИПОТЕЗЫ

Контракцuонная гипотеза была выдвинута в 30-х годах прош­

лого ·столетия, но законченную разработку лолучила в трудах

французского исследователя Эли де Бомона •в 1852 г. Идея

вытекает из представления Канта-Лалласа о nервоначаль­ ном огненно-жидком состоянии вещества Земли. По мере его охлаждения образуется твердая кора, которая в дальнейшем

192

сжатия недр, не учитывает гйпотеза н взаимосвязь объема и

форм планеты н т. д. Одна1ю эт11 недостаткн являются резуль­

татом ведоработанности пшотсзы 11 не IIОJючат ее в щншципс.

Гипотеза глубинной iJифференциации основана на представ­ лении о разделении вещества недр Земли и перемещении бо­

лее легких компонентов вверх, что вызывает поднятие отдель­

ных блоков литосферы. Идея была высказана еще основопо­ ложниками геологической науки М. В. Ломоносовым и

Дж. Геттоном. Она nолучила развитие в трудах Х. Хаармана, Р. ван Беммелена, У. Унллиса, а в наш н дни- в работах

В. В. Белоусова, Е. В. Артюшкова, Ю. М. Шеймана и др.

В представлении голландца Р. ван Беммелена nричиной под­

нятий литосферы служит накопление под ней легких кислых

магматических продуктов глубинной дифференциации веще­

дации) образуются на границе мантии и ядра, при этом про­ исходят разуплотнение и расширение материала. Формирова­

ние горных областей Р. ван Беммелен объясняет гравитацион­

ным соскальзыванием пластичных осадочных толщ со склонов

растущего крупного поднятия литосферы. Автор допуска€'1' го­

ризонтальное перемещение пластин земной коры только под

влиянием гравитационного соскальзывания.

В. В. Белоусов считает, что основные процессы глубинной

дифференциации вещества Земли праисходят в астеносфере.

Расплавленный продукт дифференциации базальтового состава собирается в крупные тела (астенолиты) и, обладая меньшей nлотностью, nрорывается к поверхности планеты. Как правило,

астенолиты поднимаются вдоль глубинных разломов, что ча­

сто сопровождается излиянием базальтовых лав. Астенолиты

праплавляют континентальную кору, вызывая образование

океаничес·ких впадин. Согласно взглядам В. В. Белоусова,

континентальная кора уничтожается за счет перехода «базаль­ тового» слоя в ультраосновной мантийный материал, а «гра­

нитного» слоя- в базальтовые породы. Происходит процесс базификации коры, т. е. изменение состава коры из-за поступ­

ления в него основного и ультраосновното материала из ман­

тии. Однако, по мнению Е. Н. Люстиха, таким образом невоз­ можно уничтожить базальтавый слой коры, ибо добавление

в'Него тяжелого вещества мантии не nриведет к утяжелению

базальтов и nереходу их в мантийную субстанцию.

Образование горно-складчатой области В. В. Белоусов свя­

зывает с региональным метаморфизмом пород. Он полностью

отвергает возможность сколько-нибудь значитеЛJ::mых горизон­

тальных смещений пластин литосферы, что противоречит це­

лому ряду установленных фактов и снижает жизненную силу

гипотезы. Весьма спорно утверждение автора о молодости всех

liH

известных океанов. В какой-то степени с изложенными nред­ ставлениями nерскликаются современные воззрения Е. В. Ар­

тюшкова, nредставляющие, тем не менее, несомненный шаг вперед в разработке гипотезы глубинной дифференциации и рассмотренные ниже в качестве самостоятельной геотектониче­

ской концепции.

Ротационная гипотеза стоит несколько обособленно от дру­ гих гиnотез. Авторы ее (Б. Л. Личкав, М. В. Стовас, Г. Н. Кат­

терфельд и др.) видят причину геотектогенеза не во внутрен­

них силах Земли, а во внешних, астрономических факторах. Изменение скорости вращения земного шара меняет ее форму: при замедлении в-ращения Земля принимает более шарообраз­

ную форму, а при ускорении вращенияэллипсоидальную.

Сильнее всего деформации проявляются в зоне 35-х параллелей северного и южного полушарий. Здесь происходит раскол

коры и заложение различных структур, ориентированных пер­

пендикулярно к существующей оси вращения планеты. А'вторы

допускают изменение положения оси во времени, 'В связи с чем

менялось и положение указанных параллелей, названных кри­

тическими. Причиной, вл'ияющей на изменение скорости вра­ щения Земли, может быть притяжение ее Солнцем и Луной. Игнорирование сторонниками ротационной гипотезы внутрен­ них сил Земли, несомненно играющих важную роль в процес­ сах тектогенеза, делает саму гипотезу несостоятельной, хотя

следует признать, что изменение форм планеты под влиянием ускорения или уменьшения угловой скорости вращения может

в определенной степени повлиять на деформацию коры.

§2.МОБИЛИСТСКИЕГИПОТЕЗЫ

Гипотезы дрейфа материков как научная концепция была вы­

предрассудки и материалы для составления новой теории об­

разования планетарной системы». В этом труде отмечается сходство в очертании берегов Европы, Африки и Америки и высказывается мысль, что Америка отодвинулась от Европы.

В трудах А. Вегенера доказывалось, что материки под дей­

ствием центробежных сют Земли как бы плывут по более

плотным глубинным породам. До мезозоя все матернии пред­

ставляли собой единый суперконтинент Пангею, который в ме­ зозойскую и кайнозойскую эры распался с образованием со­

временных r<онтинентов и океанов. Перед передним краем дрейфующих материков возникли горно-складчатые области,

а в тылугеосинклинальные прогибы. Гипотеза имела много

пршщиnнальных недостатков и вскоре была практически

всеми забыта.

195

В начале 60-х годов проюошло возрождение идеи дрейфа

материков в виде концепции глобальной тектоники плит

(тектоника литосферных плит). Этому способствовал ряд открытий, сделанных геологами при изучении дна Мирового оке­

ана. Новые факты привели х появлению идеи расширения

(растекания, спрединга) океаничес1юго дна (Г. Хесс, Р. Дитц).

В 1968 г. в работах Кс. Ле Пишона, В. Моргана, Б. Изакса,

Дж. Оливера, Л. Сайкса высказывается мысль, что вся лито­

сфера состоит из нескольких жестких, монолитных и устойчи­

вых плит (пластин), которые разделяются тектониЧески- и

сейсмически-активными поясами. По мнению Кс. Ле Пишона,

литосферные плиты раздвигаются от оси рифтовых долин Ми­ рового океана, а по данным Б. Изакса, Дж. Оливера и Л. Сай­

кса, расширение океанического дна компенсируется погруже­

нием океанической коры под континенты в зонах глубоковод­ ных желобов. Происходит как бы «всасывание» океанической

коры в мантию, в связи с чем эти области и получили название

зон субдукции. Главным механизмом, приводящим в движе­

ние всю систему литосферных плит, ученые считали тепловое

конвекционное движение вещества мантни. В дальнейшем, по

мере накопления данных, концепция глобальной тектоники

плит была у~овершенствована. В СССР эту концепцию разра­

батывала группа ученых Института океанологии АН СССР,

среди которых О. Г. Сорохтин, Л. П. Зоненшайн, А. М. Го­ родницкий, Л. И. Лобковский, Л. А. Савостин, А. С. Монин, а также Ю. И. Галушкин, С. А. Ушаков и др.

Основной причиной, приводящей к возникновению колаек­

цианного движения в мантии, является процесс гравитацион­

ной дифференциации земного вещества, наиболее интенсивно протекающий на границе мантияядро. Существует ряд при­

знаков, доказывающих возможность этого процесса. В част­

ности, в слое D" значительно уменьшаются вертикальные гра­

диенты 'Сейсмических скоростей, а в его ·нижних частях даже

понижаются скорости распространения поперечных волн.

Внем заметно увеличивается поглощение сейсмических волн,

падает значение фактора добротности для продольных волн.

по Представлениям ряда ученых, плотность вещества слоя DN

Па· с (вязкО'сть, присущая внешнему ядру). Это свидетельст­

вует, что в составе слоя присутствует как вещество мантиii,

так и вещество ядра, т. е. слой DN- это своеобразная смесь

мантии и ядра. Объяснение такому состоянию вещества на границе чантияядро может быть дано, если допустить воз­

можность протекания процесса дифференциации земного ве­

щества под влиянием сверхвысоких давлений. Как предпола­ гает О. Г. Сорохтин, именно в слое D" происходит процесс

196

распада твердых растrюров с выделением м икрокристаллов ок­

снда железа (см. гл. 3, § 4). Тяжелая компонента «стекает» во внешнее ядро Земли, при ЭТО\! возникает гравитационнан

неустойчивасть и на границе мантияндро возникаст термо­

гравитационная (хнмико·л.'lотностная, по О. Г. Сарахтину н Е. В. Артюшкову) конвекция.

По М'нению ряда ученых (Л. И. Лобка!3СК'ИЙ, О. Г. Сора­

хтин, А. В. Каракии и др.), конвекционное движение вещества

в :v~антии происходит согласно модели течений в вязкой жид·

кости и может быть ол·исано уравнением Навье-Стокса. Ко· нечно, мантия Земли характеризуется весаизмеримо более

сложными реологическими свойствами по сравнению с ньюто­

новской жидкостью. Однако многие породы при длительных нагрузках ведут себя как ньютоновекая жидкость. В 1950 г. было открыто свойство :\оtедленной твердотелой ползучести кристаллических ~tатериалов. Оно определяется способностью кристаллов к персмещению за счет са:-.юдиффузии. Данный эффект объясняется тем, что в реаль,ных кристаллах всегда су. шествуют дефекты кристаллической структуры. Это может nроизойти, в частности, по мере роста температуры. Под вли­

янием тепловых флуктуаций атомы могут быть выброшены из

своих нормальных положенийузлов wристаллической ре­ шетки- и перейти в межузельное пространство. В том случае,

когда на каком-либо участке происхо~ит накопление дефектов, то создаются гра~иенты их концентраций, а выравнивание

этих градиентов будет соnровождаться переносом вещества,

т. е. его течением. Таким образом, при температуре, близкой

ктемпературе плавления, свойство твердотелой ползучести

позволяет nородам мантии испытывать заметное лерсмещение

за время порядка 10~ лет.

Поэтому, с известными оговорками, законы гидродинамики

могут применяться и nри выяснении динамики конвекционных

течений.

Скорость и характер конвекционного движения во многом

зависят от расnределения вязкости в различных оболочках мантии. По существующим представ.1ениям, вязкость астено­

В слое D" вязкость вещества вновь nадает на несколько nоряд· ков. Таким образом наиболее вязкая часть мантии расnоло­

жена между двумя менее вязкими слоя\111: астеносферой и nе­

реходным слоем D". По расчетам Л. И. Лобкавекого и О. Г. Сорохтина, выполненным для некоторых регионов земного шара (наnример, для Северной Атлантики), скорость восходя·

щего мантийного потока составляет примерно 18 см в год. Ис­

пользуя безразмерное число Рейнольдса Re. установленное для

197

ньютоновских жидкостей, можно определить возможный тип

конвекционного течения вещества в мантии:

Re= vh/Тj,

где v - скорость течения, см/год; h - сечение маRтни, см; 11-

Полученные значения доказывают, что в мантии возможны

только ламинарные, т. е. упорядоченные движения вещества.

Возможность возникновения конвекционного движения в ман­

тии определяется другой безразмерной величинойчислом

Рэлея Ra по формуле:

Ra = papgh41kТ),

Число Рэлея получено для ньютоновских жидкостей. Если

такую жидкость, ограниченную только двумя квазипараллель­

ными плоскостями сверху и снизу, подогревать внизу, то кон­

векция возникает при величине числа Рэлея, равной 1500, если

же конвекция будет происходить в замкнутом объеме, то зна­

чение этого числа понижается до 550. Этот закон применим к жидкости с постоянной вязкостью. В мантии же слои имеют различную плотность, а следовательно, и вязкость. С целью

присnособл-ения законов гидродинамики к реальным условиям мантии О. Г. Сарахтин вывел новое модифицированное число

Рэлея Rg, определяющее возможность развития химико-плот­ ностной конвекции в недрах Земли:

Rg = !J.pgh3/ D1J,

где !J.p- средний перепад плотности; D - коэффициент диф­

много порядков превышает свое критическое значение и прак­

тически может считаться бесконечным. Отсюда следует, что

возникновение ионвекционного движения вещества в мантии

возможно.

Исследования Рэлея показали, что горизонтальный размер

ячеек близок к 2h ,У2, т. е. будет иметь тот же порядок, что

и сечения слоя h. Следовательно, в недрах Земли конвекция .мо­ жет возникнуть в то.м случае, если ею будет охвачена вся .ман-

198

Ядро

~2

Рис. 40. Схема возможных теченнй в астеносфере под океанами и конти­ нентами. По А. С. Монину и О. Г. Сорохтину.

Эпюры скоростей: 1 - в астеносфере. 2 - n "антнн; .'i-IIDIIpanлoннe тсченнй в пере·

ходнам слое nдромантия

тия, ибо в противном случае размеры ячеек будут слишком

малы для возникновения конвекционного движения, согласно

числа Рэлея.

Восходящие мантийные потоки, достигая астеносферы, бу­ дут вызывать так называемые астеносферные течения, т. е. го­

ризонтальное движение вещества в сравнительно маловязком

слое мантии. Учитывая, что под океанами мощность астено­ сферы намного больше, а вязкость в тысячи раз меньше, чем

под континентами, вертикальные потоки будут существоJЗать

только в средней и нижней мантии, а в астеносфере возникнут nреимущественно горизонтальные течения (рис 40). Из-за

того, что мощность астеносфернаго слоя под континентами су­

щественно сокращается, горизонтальные составляющие кон­

векционного потока будут возникать в более глубоких гори­

зонтах мантии. В связи с этим скорости дрейфа континенталь­

ных или смешанных континентально-океанических nлит будут

значительно меньше, чем у чисто океанических плит, а глав­

ным механизмом движения литосферных nmп ,J,олжно быть

их волочение кQнвекционнымн течеJIИЯ\1И за счет си.1 вязкого

трения.

Под влиянием конвекционных тс•rсшJГI литосфервые плиты

стремятся переместиться из области восходящего nотока к :-.1е­

стам существования нисходящих лотоков мантийного веще­

ства. В современной структуре Земли выделяют несколько ре­

гиональных областей развития восходящих и нисходящих ман-

199

тийных потоков. К первым относятся Северная Атлантика,

Африка, Индийский океан, Антарктида, юго-восток и восток

Тихого океана, запад. Северной Америки; ко вторы~1- .запад

Тихото океана, Южная Америка и прилегающая часть Южной Атлантию1. По мнению JI. И. Jiоб1ювского 11 О. Г. Сорохтнна,

строение конвекционных течений можна представить структу­

рой типа «теннисного мяча», при которой восходящий и нис­

ходящий потоки в мантии охватывают друг друга широкими

ортогональными дугами, простирающимвся 110 длине почт11 на

3/ 4 окружности Земли.

Важная особенность конвекционного движенияего не­

одноячеистой конвекции преобладали центростремительные на­ правления дрейфа литосферных плит, что приводило к объеди­

нению континентов в единые суперконтиненты. Периоды дву­

ячеистой конвекции характеризовались процессами дробления

(деструкции) и раздвижения материков. В связи с этим рас­ положение тектониче<:ки активных зон на поверхности Земли

периодически меняется, а следовательно, перестраивается н

дрейф литосферных плит, который направлен от восходящих

течений к нисхQдящим. Периодичность в динамике земных

недр вызывает и пе'Риодичность тектоно-магматпческой актив­

ности Земли. Периоды одноячеистой структуры мантии соот­ ветствуют тектонически активным периодам в геологической

жизни нашей планеты; периоды перестройки от одно- к двухЪ­ ячеистой структуре отвечают моментам наименьшей тектонн­

ческой активности; периоды двухъячеистой структуры характе­

ризуются промежуточной тектонической активностью. Динамическими усилиями, возникающими в литосфере под

влиянием конвекционных движений мантийного вещества, зем­ ная литосфера расчленяется на несколько плит, границы ко­ торых выделяются по зонам повышенной сейсмичности

(рис. 41). В связи с этим возникновение подавляющего боль­ шинства землетрясений объясняют взаимодействием литосфер­

ных плит при их дифференциальном движении относительно

друг друга. Выделяют девять главных литосферных плит:

ТРхоокеанская, Североамериканская, Евразиатская, Африкан­ ская, Южноамериканская, Индийская или Инда-Австралий­

ская, Антарктическая, Наска, КокQсовая. Они могут быть

океаническими, континентальными или смешанными, т. е.

включать в себя как континентальные, так н океанические

пространства. Ширина главных плит 6000-7000 км; ширина са•мой крупной Тихоокеанской плиты 10 000-11 000 км, а са­ мых мелких плитКокосовой и Наска- 1000 км. Кроме глав-

200