книги из ГПНТБ / Косыгин, Ю. А. Основы тектоники

170

его поверхностным проявлениям. Например, проседание земной поверхности во время вулканического извержения в непосредствен­ ной близости к извергающемуся вулкану можно связать с выносом огромных масс вещества из недр Земли в виде вулканических лав. В данном случае проседание поверхности компенсирует образовав­ шийся в недрах недостаток масс и может быть отнесено поэтому к компенсационным процессам. Компенсационными являются также прогибания поверхности над горными выработками; разница здесь в том, что в первом случае вынос вещества из недр совершается естественным путем, а во втором — искусственным. О локализации вулканического очага, являющегося источником извержений и, следовательно, причиной образования вулканической депрессии, можно судить по статическим моделям сейсмологической специали­ зации. Явления экранирования поперечных волн, не распростра­ няющихся в жидкой среде, позволили Г. С. Горшкову [59] опреде­ лить глубину (60 км), протяженность и мощность (25—35 км) и объем (10—20 тыс. км3) магматического очага Ключевского вулкана на Камчатке. Впрочем, разработка этого метода определения располо­ жения вулканических очагов находится пока еще в начальной стадии.

Третий случай — когда используются статические модели и по­ следние исследуются теоретическими и экспериментальными мето­ дами. Этот случай имеет два варианта. Во-первых, в результате таких исследований может быть выяснен или предположен автономный глубинный процесс, являющийся причиной движения поверхности земли; во-вторых, может быть установлено движение масс земной коры, обусловленное некоторой внешней причиной.

Первый вариант третьего случая может быть проиллюстрирован примером соляной тектоники, а именно образования выпуклого изгиба поверхности над соляным массивом и прогибания ее над смеж­ ной синклиналью. Данные статической геологии (результаты буре­ ния и геофизических исследований) показывают, что соляные массивы представляют собой куполовидные или цилиндрические выросты на кровле соленосных толщ, залегающих на глубинах от 2—3 до 8— 12 км. Массивы эти образованы компактной (т. е. такой, в которой нет пор и из которой не может быть выжата вода в условиях повышен­ ного давления) каменной солью плотностью на 0,1—0,15 меньше плотности покрывающих пород. Теоретические расчеты показы­ вают, что в такой ситуации соль в силу меньшей плотности, неравномерного распределения нагрузки на соленосную толщу и сравнительной низкой вязкости должна «всплывать» среди более плотных покрывающих пород, локализуясь в наименее нагруженных участках, при этом происходит горизонтальное перетекание соли в наименее нагруженный участок с его периферии. В результате одновременно с аккумуляцией соли в растущем соляном массиве происходит ее отток с участков, непосредственно примыкающих к массиву; кровля соленосной толщи на этих участках понижается, расположенные над ними участки поверхности Земли опускаются.

---------------------------------------------------------------------- ------------- -------171

Так рисуется в общих чертах механизм глубинного процесса, обус­ ловливающего сводообразное поднятие поверхности над соляным массивом и образование компенсационной депрессии вблизи него.

Рост соляного массива вследствие разности плотностей и возмож­ ность преодоления при этом внутреннего сопротивления покрыва­ ющих пород был теоретически обоснован Б. Л. Шнеерсоном [182]. Исходя из известного уравнения Максвелла, объединяющего упругие и пластичные свойства твердых тел, Б. Л. Шнеерсон показал, что при длительных тектонических процессах поведение горных пород опре­ деляется главным образом их вязкими свойствами, а упругими свойствами можно пренебречь. Поэтому он свел математическое реше­ ние задачи о росте соляного купола к плоской задаче о движении двух вязких жидкостей (ядро соляного купола было представлено в виде двумерного полукруга на жестком основании, а покрывающие по­ роды дополнительной до полуплоскости областью) и пришел таким путем к выводу, что скорость роста соляного ядра пропорциональна разности плотностей соли и окружающих пород и обратно пропор­ циональна сумме их коэффициентов вязкости.

Рост соляных массивов, сопровождающийся образованием ком­ пенсационных впадин, неоднократно моделировался эксперимен­ тально. Для этого брались два вязких вещества различной плот­ ности. Менее плотное помещалось на дне сосуда, более плотное рас­ полагалось над ним. Поверхность раздела делалась неровной — Имела рельеф с выпуклостями. В результате легкое вещество текло к вы­ пуклостям, которые росли, образуя штоки, морфологически подоб­ ные природным соляным штокам; вокруг штоков появлялись и по­ степенно углублялись компенсационные краевые депрессии. Первые эксперименты такого типа были проведены Л. Неттлетоном в США в 1934 г.; в качестве эквивалентных материалов им использовались парафин и ртуть.

При проседании поверхности Земли над разрабатываемыми залежами непосредственно наблюдаются оба звена сложного про­ цесса — следственное и причинное. В случае же движения земной поверхности над соляным массивом причинное звено непосредственно не'обнаруживается; природа глубинного процесса при этом рекон­ струируется по данным статической геологии, теоретического ана­ лиза статической модели и эксперимента. Последовательность иссле­ дования здесь такая: непосредственные наблюдения и измерения процесса —• следствия → тесная пространственная корреляция про­ явлений этого процесса с тектоническими формами или геологиче­ скими телами построенной в петрографической специализации ста­ тической модели, обоснованной данными бурения и надежно интер­ претированными геофизическими данными → теоретическое исследо­ вание статической модели, указывающее на существование автоном­ ного процесса перераспределения вещества, который идет к раз­ витию форм, коррелируемых с проявлениями процесса — следствия^ экспериментальная проверка или иллюстрация теоретического вывода.

172

К первому варианту третьего случая может быть отнесен также пример предполагаемой связи между вековыми движениями поверх­ ности Земли и процессами на поверхности Мохоровичича. Здесь вековые движения сопоставляются со статической моделью сейсмо­ логической специализации. В этой модели намечается раздел M между корой и мантией, характеризующийся резким изменением значений üp и vs. Упругие свойства коры и мантии вблизи раздела M интерпретируются на петрографическом языке на основе корреля­ ции Vp и vs мантии и коры с этими же величинами, определенными

влабораторных условиях для распространенных типов горных пород. Такая корреляция, конечно, условна, так как, во-первых, сравнение скоростей может дать неоднозначные результаты, и, во-вторых, трудно учесть термодинамические условия, существующие на уровне раздела Μ. Далее предполагается (но это тоже одна из возможных гипотез), что раздел M разграничивает различные фазы одинакового

вхимическом отношении вещества, преобразующегося в связи с изме­ нением PT-условий. Иными словами, предполагается, что M является фазовой границей. Для проверки данного предположения проводи­ лись эксперименты с различными горными породами базальтового состава, которые по своим свойствам могут соответствовать нижней части земной коры. Оказывается, что при давлениях менее 10 кбар

итемпературе HOOo C минеральные ассоциации представлены габбро

ипироксеновыми гранулитами, а при давлении более 21 кбар и той же температуре породы представлены ассоциациями эклогитов [60]. Процесс перехода габбро в более плотный эклогит и обратно сопро­ вождается изменениями объема, за счет которых могут быть отнесены наблюдаемые вертикальные компоненты вековых движений земной

с одним из вариантов гипотетического сложного процесса. .«Экло- гито-габбровый» вариант иллюстрирует лишь одну из возможных причин вековых движений. C ним могут сосуществовать в качестве процессов — причин также различные внутрикоровые и внутримантийные процессы.

Второй вариант третьего случая может быть проиллюстрирован примером связи движений земной поверхности со складчатыми и сбросовыми тектоническими дислокациями. Так, образование вы­ пуклых изгибов поверхности Земли над сводами антиклиналей, а также вертикальные и горизонтальные смещения ее по разломам можно связать с представлением о напряженном состоянии земной коры и связанными с ними перемещениями масс или в виде изгибов слоев или сдвигов блоков. Такие преобразования могут быть проил­ люстрированы на моделях из эквивалентных материалов. Чтобы подойти к выяснению причин перемещений и реконструкции про­ цесса в более широком плане, необходимо прежде всего знать, какие горизонтальные и вертикальные движения испытывают соседние участки земной коры. Отсюда, естественно, следует, что для того чтобы представить причины различных частных движений земной

коры, надо выяснить картину движения земной поверхности в целом,

вчастности горизонтальные движения каждого ее участка, каждой

ееточки. В настоящее время площади, покрытые повторными три­ ангуляциями, ничтожно малы. Работа же по сплошной повторной триангуляции всей поверхности земного шара слишком трудоемка. В решении этой задачи можно надеяться на искусственные спутники: Земли при усовершенствовании и повышении их точности.

Ретроспективные системы

Типы ретроспективных реконструкций

В качестве ретроспективных систем (моделей) рассматриваются ретроспективные реконструкции различного типа. Прежде всего это — реконструкции геологического времени и последовательности геологических событий. Эти реконструкции представляют собой основу (канву) геологической истории. Далее следуют ретроспектив­ ные реконструкции генетического типа, т. е. реконструкции обста­ новки и процессов геологического прошлого. Наконец, синтезом реконструкций первых двух типов являются историко-геологические реконструкции, к которым принадлежат реконструкции эволюции геологических процессов и реконструкции тектонических движений.

Геологическое время

В основе ретроспективных реконструкций геологического времени

.лежит истолкование последовательности геологических тел, как последовательности событий. Реконструирование событий и их соотношений является основой определения геологического (логи­ ческого) времени.

Если физическое время устанавливается путем непосредственных наблюдений при помощи некоторого периодического процесса — колебаний маятника, вращения Земли вокруг своей оси и обращения ее вокруг Солнца, то в ретроспективных системах этот подход яв­ ляется нереализуемым. Геологическое время приходится восстанав­ ливать логическим путем. Восстановление временной последова­ тельности по результатам геологических событий прошлого превра­ щается в построение сложнейшей логической реконструкции.

За основу построения геологического времени могут быть при­ няты различные геологические тела, свойства, отношения, рассма­ триваемые как свидетельства некоторых событий. Наиболее распро­ странены реконструкции времени, основанные на литологических и ■биостратиграфических свойствах, на телах, выделяемых по этим свойствам, и на отношениях этих тел. Характерной чертой таких реконструкций является раздельный подход к восстановлению раз­ новременности и одновременности геологических событий. Для вос­ становления разновременности выбираются одни наблюдаемые отно­ шения геологических объектов и аксиомы, для восстановления одно­ временности — другие отношения и аксиомы. При радиологических

175

реконструкциях геологического времени принимают за исходный материал цифры соотношений материнского и дочернего радиоактив­ ных изотопов, интерпретируемые при помощи некоторой совокуп­ ности аксиом как цифры «абсолютного» возраста. Цифры «абсолют­ ного» возраста позволяют восстанавливать сразу оба временных отношения.

Литологическая реконструкция. Необходимый исходный материал: вертикальная стратиграфическая последова­ тельность пластов или слоистых толщ, латеральная литологическая непрерывность каждого пласта или каждой слоистой толщи. На осно­ вании закона Стено устанавливается отношение разновозрастное™: в серии нормально залегающих пластов вышележащий пласт моложе нижележащего. Аналогичный закон (мы предложили бы сформули­ ровать его так:, все точки одной и той же литологической границы одновозрастны), позволяющий переводить отношение латеральной литологической непрерывности в отношение одновозрастности, не сформулирован в явном виде, однако совершенно очевидно, что по­ добный перевод может осуществляться только на основании этого закона. Хотя, когда речь шла о слоистой структуре, говорилось, что литологические границы пересекают изохронные поверхности. При реконструкциях времени по литологическим признакам един­ ственно возможным допущением является представление об одно­ возрастности литологических границ; если же не учитывать послед­ него, то реконструкция геологического времени в пространстве литологической специализации становится невозможной.

Биостратиграфическая реконструкция. Не­ обходимый исходный материал: вертикальная последовательность распределения в стратиграфических разрезах видов, родов, других таксонов, или последовательность в тех же разрезах комплексов органических остатков. Стратиграфические отношения «выше» для этих объектов, так же как и в предыдущем случае, интерпретируются как возрастные отношения «моложе», а отношения сходства по ука­ занным признакам — как отношения одновозрастности. Основанием перевода отношения палеонтологического сходства в отношении гео­ логической одновозрастности служит закон Смита [172]. Утвержде­ ние о более молодом возрасте фаун и флор, залегающих выше, можно рассматривать как следствие закона Стено, или как частный случай этого закона.

Радиологическая реконструкция. Необходи­ мый исходный материал: количественные соотношения материнского изотопа радиоактивного элемента с большим периодом полураспада и дочернего изотопа этого элемента. В качестве основания перевода этих соотношений в цифры «абсолютного» геологического возраста обычно рассматривается физический закон, утверждающий постоян­ ство скорости радиоактивного распада во времени. Не в столь явной форме вводится допущение, что к датируемому моменту присутство­ вал только материнский изотоп, а содержание дочернего изотопа равнялось нулю и что за весь отрезок времени, вплоть до момента

176

анализа, не происходило ни привноса, ни выноса ни дочернего, ни материнского изотопов.

Одновременное использование нескольких реконструкций вре­ мени для восстановления возрастных отношений одних и тех же объ­ ектов зачастую приводит к противоречиям.

Особенно многочисленны противоречивые примеры в восстановле­ нии возраста радиологическим методом, с одной стороны, и палеон­ тологическим и литологическим методами — с другой. Так, для стра­ тиграфических единиц, залегающих выше, часто были получены цифры «абсолютного» возраста большие, чем для нижележащих единиц. Лавы древних (около 100 лет) излияний камчатских вулка­ нов были датированы 7 млн. лет.

Более того, даже при использовании разных признаков в преде­ лах одной и той же реконструкции обнаружилось множество противо­ речий. Так, неоднократно отмечались случаи обратной последова­ тельности в разных разрезах одних и тех же видов или комплексов органических остатков, случаи совместного нахождения в одном пласте видов или комплексов фауны и флоры, в других местонахо­ ждениях располагающихся один выше другого.

Согласно X. Хедбергу [191], все границы, которые могут быть приведены по наблюдаемым признакам, находятся в произвольных соотношениях с «истинным» временем, из чего следует, что это «истин­ ное» время неустановимо на основе наблюдений. Было предложено различать понятия «идеальная хроностратиграфическая единица» и «операционная хроностратиграфическая единица» [196]. Если пер­ вое понятие определялось как комплекс отложений, сформировав­ шийся за некоторый промежуток времени, то второе — как реальное тело, выделяемое по наблюдаемым и измеряемым признакам (в част­ ности, по литологическим, палеонтологическим или радиологиче­ ским), которое может быть принято за наибольшее возможное при­ ближение к «идеальной» единице. Конструкцию, соответствующую такому приближению, можно назвать эталонной.

При выборе эталонной конструкции будем руководствоваться пригодностью полученного логического времени для тектонических, структурных построений. При радиологическом определении времени мы вынуждены были бы считать геологические объекты, имеющие большие цифры «абсолютного» возраста, более древними, даже если бы они занимали в нормальной стратиграфической последовательности пластов более высокое положение. «Изохроны» при таком подходе имели бы прихотливые очертания и находились бы в сложных отно­ шениях со стратиграфической последовательностью и структурой геологического пространства. Эталонная конструкция должна соот­ ветствовать требованию операционной определенности, кроме того, она должна быть непротиворечивой. Требованию операционной определенности отвечает биохронологическая конструкция [146], однако она, как это можно было видеть, не свободна от противоречий. Видимо, следует ограничить множество признаков, используемых при ее построении, только непротиворечивыми системами. Если при

178

Совокупность точек геологического пространства, для которых определен геологический возраст пород, и изохронных поверхностей можно представить как «поле геологических возрастов горных пород» или как «хроностратиграфическое поле». В последнем в принципе можно провести любое количество изохронных поверхностей. По­ строенные таким образом изохронные поверхности могут в деталях не соответствовать тем подлинным изохронным поверхностям, кото­ рые мы могли бы построить, если бы были свидетелями процессов осадконакопления и породообразования в геологическом прошлом и могли бы непосредственно измерять скорости этих процессов.

Вместе с тем хроностратиграфическое поле такое, каким мы можем себе его представить сейчас, является хотя и очень приблизитель­ ной моделью осадочной оболочки, но необходимой для всех палео­ географических и историко-геологических построений.

Реконструкции генетического типа

Выше речь шла о реконструкциях последовательности событий и геологического времени. Особое место среди ретроспективных систем занимают реконструкции (модели) генетического типа. Они включают реконструкции фациальных условий, т. е. условий образования или преобразования минералов, горных пород и полезных ископаемых, палеогеографические реконструкции и реконструкции геологиче­ ских процессов. Все эти модели строятся без учета течения геологи­ ческого времени. При реконструкции фаций, палеогеографии, гео­ логических процессов прошлого и т. д. мы отвлекаемся от длитель­ ности геологического времени и последовательности событий, отме­ чаемых на хроностратиграфической шкале, а рассматриваем рекон­ струируемые явления так, как будто они приурочены к какомулибо одному «моменту» геологического времени. Подразумевается, что эти явления и процессы протекали не мгновенно, что они имели некоторую длительность, занимали некоторый отрезок «физического» времени, но к течению геологического времени не имели явного от­ ношения. Время, к которому мы приурочиваем ретроспективные реконструкции генетического типа, назовем фиксирован­ ным геологическим временем.

Необходимо сделать общие замечания относительно использо­ вания причинно-следственных связей и применения метода аналогии в ретроспективной реконструкции генетического типа. При исследо­ вании динамических систем мы прослеживаем определенные причин­ но-следственные связи между условиями, в которых протекает про­ цесс, и результатами этого процесса. Наблюдая же в толще горных пород результаты некоторых процессов геологического прошлого, мы не можем использовать установленные при изучении динамиче­ ских систем причинно-следственной связи для реконструкции по этим результатам тех обстановок, в которых протекал процесс. Однако, если справедливо прямое утверждение (данные условия при-