Тарасов / geokniga-geohistoricaldeodynamicbasinanalysis1999 (1)

Рис. 3.115. Схематическая внемасштабная модель орогенеза Анд. Со­ ставлена с использованием данных [Jordan et al., 1983; Jordan, Alonso, 1987; Allmendinger, 1986; de Silva, 1989; Armijo, Thiele, 1990].

Задуговые краевые прогибы также типичны для районов зон субдукции с сильным сжатием. Типичный пример — пояс Предандийских краевых прогибов (рис. 3.115). Краевые прогибы такого типа образуют­ ся при надвигании вулканической дуги на более стабильную область. По своей структуре они подобны краевым прогибам других типов.

Таким образом, с активными континентальными окраинами связа­ но большое разнообразие типов осадочных бассейнов по механизмам формирования.

3.7. ПЛАТФОРМООБРАЗУЮЩИЕ ОСАДОЧНЫЕ БАССЕЙНЫ

Большинство платформ имеет обширные осадочные бассейны. Области с осадочным чехлом на платформах в России традиционно делят на синеклизы (фундамент относительно погружен), антеклизы, или поднятия, или своды (фундамент относительно приподнят), перикратонные прогибы (бассейны вдоль края платформы) и т. д. Все эти понятия основаны на анализе современной структуры платформ, кото­ рая формировалась длительно как в ходе формирования осадочных чехлов, так и в процессе последующих деформаций. Современные осадочные бассейны — это, как правило, результат интеграции многих эпох неравномерного погружения и воздымания. В этом разделе рас­ смотрим вероятные причины региональных погружений платформ или обширных осадочных бассейнов шириной не менее 1 000 км.

476

Рассмотрим несколько примеров. В пределах Западной Сибири в триасе был рифтогенез, за которым последовало крупномасштабное юрско-кайнозойское погружение огромной области на 5-7 км [Сурков, Жеро, 1981; Милановский, 1989] (рис. 3.116). Примечательно то, что область глубокого погружения охватила регионы палеозойских орогенов, но не захватила практически территории Восточно-Европейской и Сибирской платформ. В позднемеловое время большая часть Евро­ пейского палеоконтинента перекрылась чехлом морских осадков [Zieg-

Геологическое время (млн лет)

Рис. 3.116. Кривая погружения Западно-Сибирского бассейна, постро­ енная для района Тюменской сверхглубокой скважины, расположенной возле Уренгоя в пределах пермо-триасового палеорифта.

На кривой погружения отчетливо видно, что главная фаза рифтогенеза имела место на границе перми и триаса.

477

ler, 1990], при этом чехлом перекрывались области с разным фун­ даментом и с разной домеловой историей. В ордовике и позднем дево­ не также большая часть Восточно-Европейской платформы перекры­ валась морскими осадками [Милановский, 1987]. В венде-кембрии- ордовике почти вся Сибирская платформа погружалась ниже уровня моря. Таким образом, существует проблема, как объяснить региональ­ ные погружения континентальных областей.

Эти причины можно разделить на две группы: эвстатические и тектонические. Эвстазия — это колебания уровня Мирового океана. Повышение этого уровня приводит к глобальной трансгрессии и пере­ крытию морскими осадками значительной части континентов; соот­ ветственно понижение уровня океана — к глобальной регрессии и осушению континентов. Повышение уровня Мирового океана приво­ дит к формированию осадочного чехла на континентах и может рас­ сматриваться как одна из причин формирования осадочных бассейнов. Этим можно объяснить перекрытие многих континентов позднемело­ выми или ордовикскими осадками. Но в количественном отношении масштабы погружения многих континентов во время глобальных трансгрессий были большими, чем это следует только из повышения уровня океана. К тому же современные данные все больше указывают на реальность значительных тектонических вертикальных движений в пределах современных и палеоконтинентов.

Тектонические причины региональных вертикальных движений в пределах континентов пока строго не установлены и существует много разных точек зрения. Рассмотрим вероятные причины регионального погружения.

П ервая причина — погружение региональной полосы, парал­ лельной зоне субдукции [Mitrovica et al., 1989; Gurnis, 1992]. В на­ стоящее время субдукционный пояс имеется на западе Тихого океана. Соответственно широкая полоса континентальной Азии погружена (или была погружена в кайнозое) параллельно зоне субдукции. На­ пример, Охотское море, Восточно-Китайское море. В байосе-эоцене к югу от Большого Кавказа существовала устойчивая зона субдукции, направленная на север [Никишин и др., 1997]. Одновременно большая часть южной половины Восточной Европы шириной порядка 1 0001500 км испытывала погружение.

Возможное объяснение данного погружения состоит в следующем (рис. 3.117). При существовании стабильной зоны субдукции литосфе­ ра в ее зоне постоянно погружается в мантию. Соответственно погру­ жение литосферы в верхнюю мантию вызывает образование вынуж­ денной конвекции с движением верхнемантийного вещества к зоне

478

-1000 км

Область погружения

Рис. 3.117. Принципиальная схема формирования осадочного бассей­ на шириной около 1 000 км, параллельного зоне субдукции.

судбукции. При этом происходит отток подлитосферного вещества к зоне субдукции и некоторое погружение литосферы в широкой полосе, параллельной зоне судбукции. Как только прекращается субдукция, тогда же и останавливается данное погружение. Такого рода механизм погружения, связанный с конвекцией и движением подлитосферного вещества в сторону зоны судбукции, может обеспечить погружение в сотни метров. Таким образом, погружение широких полос континен­ тов могло быть связано с верхнемантийной конвекцией, обусловлен­ ной погружением литосферы в зонах субдукции. Но такой механизм действует не всегда и для его реализации необходимы какие-то неяс­ ные условия. Есть примеры, когда такой механизм явно не реализует­ ся. Например, субдукция направлена со стороны Тихого океана под Южную Америку, но последняя, по крайней мере в позднем кайнозое, испытывает в целом воздымание.

Вторая причина — обрушение нижней части литосферы, заме­ щение ее астеносферным веществом и последующим охлаждением. В пределах Западной Сибири в перми был ороген высотой не менее 2-3 км [Surkov, 1995]. Из этого следует, что там была в среднем утолщен­ ная континентальная кора мощностью порядка 45-55 км и в целом утолщенная литосфера за счет процессов коллизии. На границе перми и триаса произошли фаза коллапса орогена и рифтогенез, сопровож­ давшийся базальтовым вулканизмом на обширных площадях [Surkov, 1995]. После этого события толщина консолидированной коры стала близка к современной — порядка 30 км, так как позже не было значи­ тельных событий, которые бы могли изменить мощность коры. Нали­ чие вулканизма на границе перми и триаса на обширных площадях За­ падной Сибири свидетельствует о том, что в то время литосфера была

479

регионально утонена. Следовательно, ее региональное утонение про­ изошло примерно в конце перми. На основе изложенных выше исход­ ных положений предлагается следующая модель образования гигант­ ского Западно-Сибирского осадочного бассейна (рис. 3.118). Пермская орогения привела к формированию между Восточно-Европейской и Сибирской платформами с толстой литосферой горной области с утолщенной корой и литосферой; данное утолщение было обусловле­ но значительным сжатием. В конце перми сжатие прекратилось и ороген начал регионально гравитационно расплываться, гравитационное расплывание было усилено фазой регионального растяжения. Это при­ вело к коллапсу орогена и образованию на его месте континентальной рифтовой системы. Растяжение охватило и подкоровую литосферу; в ус­ ловиях реологической границы вдоль раздела Мохо подкоровая часть

Рис. 3.118. Модель формирования Западно-Сибирского осадочного бассейна.

а — формирование пермского орогена, 6 — коллапс орогена в конце перми-начале триаса, рифтогенез, деламинация блоков подкоровой части литосферы, в — региональ­ ное погружение в связи с охлаждением и утяжелением литосферы Западной Сибири в мезозое-кайнозое.

480

литосферы могла отслаиваться от коры и тонуть в астеносфере, а ее ме­ сто замещалось горячим астеносферным веществом, что, возможно, и обусловило региональный базальтовый магматизм. Вероятно, уже в раннем триасе в Западной Сибири была регионально утоненная конти­ нентальная кора и литосфера. Затем в мезозое-кайнозое произошло ре­ гиональное охлаждение и утолщение литосферы Западной Сибири при­ мерно от 50 до 150 км. Это и обусловило погружение огромного осадоч­ ного бассейна, почти точно наследовавшего пермский ороген. Данная гипотеза в целом подобна модели погружения пострифтовых осадочных бассейнов по схеме Маккензи, но в нее добавим обрушение нижней час­ ти литосферы. Эта гипотеза вполне вероятна, но в настоящее время трудно доказуема, так как пока плохо знаем о том, что происходит с нижней частью литосферы при коллапсе орогенов.

Третья причина — фазовые переходы в коре и верхней мантии. Земная кора и мантия состоят из горных пород, сложенных минералами. Один и тот же химический состав может быть реализован разными ми­ неральными ассоциациями с разной плотностью в зависимости от тем­ пературы и давления. Соответственно предполагается, что многие сейс­ мические разделы в коре и мантии являются границами фазовых пере­ ходов в горных породах [Рингвуд, 1981; Артюшков, 1993; Лобковский и др., 1993]. Е. В. Артюшков последовательно отстаивает точку зрения, что фазовые переходы в литосфере являются важнейшим механизмом формирования осадочных бассейнов. Действительно, в истории конти­ нентов было много эпох, когда их отдельные регионы испытывали ре­ гиональный разогрев или охлаждение. Изменения температуры в лито­ сфере на десятки и первые сотни градусов теоретически могли приво­ дить к фазовым переходам в минералах (практически к метаморфизму пород) и соответственно утяжелению или облегчению литосферы и, как следствие, к вертикальным движениям литосферы. Обычно обсуждают процессы перехода базитов в гранулиты и далее в эклогиты, и процессы трансформации оливина в более плотные модификации. Вероятность данных процессов доказана экспериментальным путем многими иссле­ дователями. Не вызывает сомнений, что действительно многие сейсми­ ческие границы в коре и мантии — это зоны фазовых переходов. Но по­ ка нет ясности, могут ли действительно фазовые переходы в литосфере и в верхней мантии приводить к региональным значительным 'верти­ кальным движениям. Следует отметить, что, по-видимому, фазовые пе­ реходы должны играть важную роль в природе вертикальных движений коры, но пока нет возможности это строго установить и обосновать.

Четвертая причина — нисходящие мантийные течения. Извест­ но, что в мантии Земли происходит конвекция, однако пока существу-

ет много разных моделей конвекции и характер воздействия мантий­ ной конвекции на вертикальные движения земной коры пока точно не ясен. В общем случае допускается, что нисходящие мантийные тече­ ния могут вызвать над ними погружение коры. При прекращении та­ кой конвекции данное погружение прекращается. Можно допускать, что многие регионы континентов испытывали в прошлом погружение над зонами нисходящих мантийных течений. Ширина зоны таких те­ чений, судя по данным современной сейсмотомографии, может пре­ вышать 1 000 км. В настоящее время сложно оценить реальность дан­ ного механизма образования осадочных бассейнов, но вероятность его существования высока.

Пятая причина — отток астеносферного вещества в сторону рифтовых зон. Известно, что астеносфера содержит некоторое количество расплавленного вещества, которое может перемещаться в горизонталь­ ном направлении [Лобковский, 1988]. Астеносфера со значительным плавлением вещества может сравниться с губкой, поры которой запол­ нены расплавом. Если создаются условия, что расплавная фаза вынуж­ дена мигрировать в астеносфере в стороны зоны декомпрессии под риф­ том, то при оттоке астеносферной жидкости литосфера над ней должна несколько погрузиться [Никишин, 1992]. Теоретически такой механизм погружения возможен, но его реальность трудно доказуема.

Вероятно, есть и другие механизмы регионального погружения континентальных областей. Это одна из наиболее сложных проблем геодинамики, заслуживающая специального рассмотрения.

3.8. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОСАДОЧНЫХ БАССЕЙНОВ

Кратко суммируем представления о механизмах формирования осадочных бассейнов, которые в целом были обсуждены в данной книге. Все механизмы можно разделить на несколько групп: (1) свя­ занные с региональными напряжениями растяжения или сжатия;

(2) связанные с утяжелением или облегчением литосферы из-за изме­ нения температуры (термального режима); (3) обусловленные весом литосферы орогена; (4) связанные с мантийной конвекцией; (5) обу­ словленные деламинацией мантийной части литосферы; (6) обуслов­ ленные коллапсом орогенов; (7) связанные с фазовыми переходами в литосфере и верхней мантии; (8) остаточные впадины; (9) тектониче­ ски отшнурованные впадины.

1. Региональные напряжения — один из основных механизмов внутриплитных деформаций. Происхождение этих напряжений может

482

быть разным, и здесь эта проблема не обсуждается. Растяжение лито­ сферы после какого-то критического значения приводит к формирова­ нию рифтовых бассейнов с разной геометрией. Рифтовые впадины — это типичные осадочные бассейны. Мощность рифтового чехла может достигать 7 км и более.

Региональное сжатие литосферы приводит к разным следствиям. Наиболее типичное выражение — литосферная складчатость [Ники­ шин, 1992; Nikishin et al., 1993]. Понятие литосферной складчатости по сути было введено Арганом [Argand, 1924] и его последователями как складки основания, складки большого радиуса кривизны и т. д. Континентальная литосфера при сжатии может образовывать складки длиной волны порядка 300-500 км [Nikishin et al., 1993, 1997]. В связи с тем что литосфера реологически расслоена, при ее сжатии на фоне общелитосферной складчатости может возникнуть коровая и верхне­ коровая складчатость; т. е. складчатость может быть дисгармоничной. На рис. 3.119 показаны оси неотектонических внутриплитных подня­ тий Евразии, которые сформировались в обстановке сжатия. Видно, что эти оси часто параллельны. Амплитуда воздымания в поднятиях (предполагаемых литосферных антиклиналях) составляет от сотен метров до нескольких километров; соответственно то же относится и к областям погружения (предполагаемым литосферным синклиналям). Было показано, что альпийская структура Восточно-Европейской платформы в значительной мере обусловлена пологой позднекайно­ зойской общелитосферной складчатостью [Nikishin et al., 1997]. На­ пример, области Украинского щита, Воронежской антеклизы (Средне­ русской возвышенности), Поволжской возвышенности рассматрива­ ются как общелитосферные антиклинальные складки с амплитудами воздымания до 250-300 м, между ними соответственно расположены синклинальные складки. Проблема литосферной складчатости только начинает активно изучаться, этому вопросу уделяется повышенное внимание. В геологической истории Земли на фоне коллизионных эпох континенты и их платформы многократно испытывали сжатие и синкомпрессионные вертикальные движения. Во многих случаях та­ кие движения, вероятно, были связаны с литосферной складчатостью.

2. Термальные процессы — важнейшие механизмы вертикальных движений литосферы. При разогреве и воздымании астеносферы про­ исходит подъем земной литосферы. Очевидные примеры — Эфиоп­ ское и Кенийское поднятия с рифтовыми зонами, под которыми уста­ новлены поднятия астеносферы [Милановский, 1976]. При рифтогенезе происходит воздымание астеносферы до глубины порядка 50-80 км. После окончания рифтогенеза под палеорифтовой зоной литосфера

483