dobrecov_n_l_kirdyashkin_a_g_kirdyashkin_a_a_glubinnaya_geod

оценены по геологическим данным за последние

1-3 млн лет. Этим подтверждается устойчивое движение плит (см. рис. 1.3).

Само движение литосферных плит опреде­ ляется взаимодействием литосферы и астеносфе­ ры. Такое утверждение можно считать общеприз­

нанным, хотя выяснение сил и процессов, опреде­

ляющих движение плит, еще продолжается и ак­

Тем не менее главными и прямыми источ­

никами информации о мантийных неоднороднос­

тях и движениях являются геофизические и космофизические методы: изучение вариаций вра­ щения Земли, миграции полюса, сейсмическая то­

мография, сравнительная планетология и др. Наконец наиболее глубинными геодинами­

ческими движениями являются конвективные

тивно дискутируется. Источником информации

здесь служат преимущественно геофизические ме­

тоды (гравиметрия, магнитометрия, изучение теп­ ловых потоков, формы геоида и др.), но их интер­ претация невозможна без геологических наблю­

дений и реконструкций. Это касается, в частно­

сти, исследования вулканизма в зонах спрединга -

срединно-океанических хребтах и рифтах Крас­ номорского типа и изучения зон субдукции и зон столкновения (Гималайского типа) не только гео­ физическими, но и геологическими методами (изу­

чение вулканизма, ассоциирующих осадков, де­

формаций островодужного склона и др.). Синтез

этих геологических и геофизических данных, ко­ торый позволяет моделировать основные геоди­ намические процессы, будет приведен ниже (см.

гл. 4-7). Однако уже сейчас ясно, что процессы на границах литосферы и астеносферы являются ве­

дущими для тектоники плит и геологии в целом.

Скорость движения плит и ее составляющие (на­ пример, скорость субдукции) меняются в преде­ лах 1-10 см/год (10-100 км за 1 млн лет).

Более глубинный уровень движений пред­

ставлен мантийной конвекцией и мантийными

плюмами (струями). Скорость движения плит,

вероятно, сравнима со скоростью конвективных

течений в верхней мантии, а конвекция в нижней мантии более медленная (скорость течения 0.2- 2 см/год). Эти конвективные движения являются глобальными, так как захватывают большую часть массы Земли. Они недоступны для непос­ редственного наблюдения и изучения. Косвенным

выражением конвекции в астеносфере служат дижения плит; проявлением мантийных плю­ мов - магматизм горячих точек и полей (Гавайи,

Исландия, Азоры и др., см. рис. 1.3). Изучение и

сравнение геологии и геохимии магматизма го­

рячих точек и зон спрединга являются не только

источником знания о мантийных плюмах, но и

доказательством двухслойной (двухуровневой)

конвекции в мантии.

процессы в жидком металлическом (внешнем)

ядре Земли и процессы в переходном слое ниж­ ней мантии D2, определяемые взаимодействием ядра и мантии. Постепенно становится ясно, что это важнейшие в энергетическом плане движе­

ния, которые, возможно , определяют весь ос­

тальной спектр геодинамических движений. и

основные свойства "тепловой машины" Земли. Здесь на границе ядра и мантии наблюдается наи­

больший скачок плотности (l1p = 4.3-4.5 г/см3) и,

вероятно, вязкости. Вязкость в нижней мантии

составляет порядка 1021-1022 П и понижается в

жидком ядре на 16 порядков и более. Соответ­

ственно меняется и характерное время процес­

сов - десятки и сотни миллионов лет в нижней

мантии и очень быстрые процессы во внешнем

жидком внешнем ядре, отражающиеся, как счи­

тают многие авторы, в годичных и вековых ва­

риациях магнитного поля и вращения Земли.

Промежуточный временной масштаб, вероятно,

имеют процессы в слое D2, определяющие рож­ дение нижнемантийных плюмов.

В то же время это наиболее трудный для ис­ следования уровень процессов. Прямые измере­ ния касаются только сейсмической томографии (структура слоя D 2, вариации рельефа границы ядро-мантия (СМВ), жидкое состояние внешнего ядра) и вариаций геомагнитного поля, происхож­

дение которого определенно связано с ядром, хотя

теория геомагнитного динамо пока еще далеко не

совершенна. Косвенное значение имеют экспери­

менты при высоких давлениях (в частности, удар­ ные адиабаты, фазовые твердые превращения, ис­ следования сильно сжатой плазмы), а также сопо­ ставления с железными метеоритами, гео­ химические исследования нижнемантийного маг­ матизма. Однако интенсивное развитие исследо­

ваний в этом направлении только начинается, и

можно ожидать большего прогресса в ближайшее

время. Геологические исследования и реконструк­ ции в комбинации с геофизикой и физическим

уровней и объединить разнородную, зачастую очень специализированную информацию.

Наиболее важными уровнями локализа­

ции геодинамических процессов являются при­

поверхностная зона, зона взаимодействия

литосфера-астеносфера и граница ядро-ман­

тия. Шкала, представленная на рис. 1.11, позво­ ляет обособить более медленные геодинами­

ческие процессы в высоковязкой Земле от бо­ лее быстрых в гидроатмосфере, определяющих

климат и, частично, приповерхностные процес­

сы. Среди геодинамических процессов вслед

за л.п. Зоненшайном [Зоненшайн, Савостин, 1979; Зоненшайн, Кузьмин, 1993а,б] можно выделить глобальный уровень (образование Земли, мантийная конвекция, плюмы); регио­

нальную геодинамику в конкретных зонах спре­

динга, субдукции, коллизии, орогенических и

металлогенических зонах, интрузии в магмати­

ческих зонах (с линейным размером от 100 до 5000 км); локальный уровень '(0.1-100 км). Микроуровень (1 м-1 мм), включая рост крис­

таллов, агрегатов минералов, микроструктур­

ные изменения (деформации), завершает этот

ряд ; но его вряд ли стоит относить к геодина­

мическим процессам.

В нашей книге главное внимание будет уде­ лено глобальному и региональному (мезомасш­ табному) уровню, которые имеют масштабы, из­

меряемые сотнями и тысячами километров, и

характерные времена от сотен тысяч до десятков

миллионов лет (см. рис. 1.11).

основываясь на работах Л.П. Зоненшайна, Л.Л. Савостина [1979], н.л Добрецова [1980], л.п. Зоненшайна, М.И. Кузьмина [1993а].

Кинематика движения литосферных

плит. Основные геодинамические движения на поверхности Земли и вблизи нее можно предста­

вить как результат вращения относительно жест­

ких и сравнительно тонких литосферных плит.

Это вращение описывается, согласно теореме

Эйлера, поворотом плиты на сфере с определен­

ной угловой скоростью относительно полюса вращения (рис. 1.12). Это вызывает некоторое

перемещение плит, которое реализуется в виде

трех типов границ: дивергентные (расхождения или наращивания плит), конвергентные (столк­

новения или ПОГЛОЩеНИЯ плит, называемые так­

же субдукционными) и трансформные (или ли­ нии скольжения). Скольжение плит относитель­

но друг друга происходит, как правило, по транс­

формным разломам, параллельным Эйлеровым

параллелям.

Необходимо различать мгновенные, диф­ ференциальные и конечные перемещения плит.

Мгновенные перемещения - это перемещения,

происходящие в очень небольшие интервалы

времени. Мгновенные перемещения плит про­

должительностью первые десятки лет оценены

сейчас на основании сверхдальней интерферо­ метрии и спутниковой геодезии [Картер, Робер­ тсон, 1987]. Как оказалось, они близки к векто­ рам перемещения плит, замеренным за более дли­ тельный промежуток времени (1-2.5 млн лет) по

сдвигам на континенте или по расстоянию меж­

1978; Зоненшайн, Кузьмин, 1993а], показаны на рис. 1.13. При таком совмещении оказалось необ­ ходимым раскрыть океан Тетис между Евразией

и Африкой. Сравнение с современным положени­

ем этих континентов позволяет оценить конечные

перемещения (представленные здесь как враще­

ние относительно условно неподвижной Северной Америки). Максимальное вращение устанавлива­

ется для Африки. В то же время эти конечные пе­ ремещения складываются из относительных диф­ ференциальных перемещениЙ.

Более подробно теория и методы, описыва­ ющие кинематику движения литосферных плит, изложены в работах [Зоненшайн, Савостин, 1979; Кокс, Харт, 1989; Зоненшайн, Кузьмин, 1993а].

Теоретические основы тектоники лито­

сферных плит. Исторически и логически теория тектоники литосферных плит возникла на осно­ ве нескольких блестящих результатов и предпо­

ложений.

~ Предположение о спрединге - раздвига­

нии или расширении океанического дна относи­

тельно СОХ [Hess, 1962; Dietz, 1961], позже

подтвердившееся зависимостью рельефа хребта

и теплового потока от возраста и другими дан­

ными [Parson, Sclater, 1972; Sclater, Francheteau, 1970; Sclater et аl., 1977]. Сейчас это предполо­

жение можно считать доказанным. Рассмотрены

и основные механизмы этого расширения-расте­

кания, связанные с подъемом и кристаллизацией магматического расплава под гребнем СОХ

(рис. 1.14, а, справа, см. также гл. 4, раздел 4.4 и гл. 6, раздел 6.1).

~ Полосовые магнитные аномалии, уста­

новленные в 1960-е годы в океанах, интерпрети­

рованы как результат расширения океаническо­

го дна в условиях переменного магнитного поля,

испытывающего инверсии [Vine, Matthews, 1963].

Магнитные аномалии сопоставлялись с возрас­ том магнитных инверсий, установленных в осад­ ках на континентах. В результате удалось оценить

возраст намагниченного ложа океанов (под осад­

ками) и, соответственно, - количественно оце­

нить скорость и направления перемещения океа­

нических плит. В настоящее время возраст океа­

нического ложа под осадками определен более чем в 400 пунктах на основании глубоководного бурения и на 95 % совпал с возрастом, опреде­ ленным по магнитным аномалиям [Океаноло­

гия... , 1979; Scotese et а1., 1988], поэтому данный

тезис тоже можно считать доказанным.

~Предложен новый класс разломов - трансформные, в которых видимое перемещение отрезков СОХ противоположно действительно­

му смещению движущихся плит [Wilson, 1965] (см. рис. 1.14). Примеры таких смещений, блес­

тяще подтвержденные сейсмическими и геоло­

гическими данными, приведены в гл. 6.

~Гипотеза о том, что поглощение океани­

ческих плит, отодвигающихся от СОХ, происхо­

дит под островные дуги и активные окраины кон­

тинентов. Зоны поглощения, называемые также

(рис. 1.14,6). В то же время механизм и процес­ сы в зонах субдукции остаются самыми сложны­

ми и дискуссионными.

~ Очень важным положением, позволяю­

щим использовать аппарат кинематики враще­

ния плит, является представление о жесткости

и целостности плит по отношению к пластич­

ной астеносфере и "пластичным" (скользящим или пластично-деформируемым) границам плит. Это положение основывалось на выявленной за­

кономерности концентрации сейсмической ак­ тивности только на границах плит [Айзек и др.,

1974] и на наблюдении о недеформированности

осадков и ложа океанов вне осевой части СОХ

и трансформных разломов. Эти предположения все более подтверждаются для океанических

плит, к которым тектоника плит в наибольшей степени применима. Что касается части конти­

нентов и активных зон, то здесь ситуация оказа­

лась более сложной. Сейсмичность распростра­ нена и внутри континентов (например, в Евра­ зии), и в широкой полосе во многих активных зонах (например, в АльпиЙско-ГималаЙскоЙ). Это привело к необходимости выделения все более мелких плит и усложнению кинематики

их движения.

~ Горячие точки (типа Гавайской) рассмат­

риваются как результат активности независимых

(от движения плит) мантийных плюмов, подни­

мающихся из нижней мантии. След движения плиты над горячей точкой остается в виде цепи

вулканических островов с постепенным удрев­

нением их возраста (например, Гавайская цепь - Императорская цепь островов в северо-западной части Тихого океана, см. рис. 5.1). Этот тезис

использовался и как прямое доказательство дви­

жения плит [Wilson, 1973; Molnar, Atwater, 1973],

плит [Morgan, 1968; Le Pichon, 1968; Minster,

Jordan, 1978];

2) вдвое большее число "малых" плит раз­

мером 1000-3000 км (Охотоморская, Амурская, Китайская, Тибетская, Филиппинская на юго-во­ стоке Азии; Скоша, Кокос, Карибская вместе с Наска и более мелкими плитами вокруг Южно­

Американской плиты; Сомалийская, Аравийская,

Малоазиатская и более мелкие плиты вокруг Африканской плиты);

3) микроплиты внутри широких активных зон в западном обрамлении Тихого океана и в

Альпийско-Гималайском поясе (Лут, Мизийская, Мендерес, Сардиния и др.). Размер этих плит (300-1000 км) соизмерим с толщиной литосфе­ ры, т. е. это, скорее, "кубики", а не плиты, их на­ личие подтверждает более сложную картину де­ формации в активных зонах.

Общая качественная тектоника плит на ос­

нове вышеперечисленных теоретических и эмпи­

рических положений представлена на рис. 1.14. Слева показано раздвижение плит в срединно­ океаническом хребте. Справа - разрез зоны суб­

дукции, на котором видна погружающаяся океа­

ническая литосфера с тонкой океанической ко­ рой, островная дуга над зоной субдукции с силь­ но деформированным аккреционным клином во фронте дуги и локальными осадочными бассей­ нами - преддуговым и задуговым. Схематически

показаны направления конвективных течений в

астеносфере ниже субдуцирующей плиты и маг­ матические участки под островной дугой и заду­ говой областью.

Важно подчеркнуть, что несмотря на эмпи­

ричность и "механистичность" многих положе­ ний тектоники плит, в ее рамках удается объяс­ нить большинство наблюдаемых геологических

и геофизических фактов [Зоненшайн и др., 1976, 1990; Зоненшайн, Кузьмин, 1993а].

Теоретические модели и механизмы дви­ жения литосферных плит. Эти модели и меха­

низмы во многом еще дискуссионны и гипоте­

тичны. Общее положение о связи движения ли­ тосферных плит с конвективными движениями в мантии предложено давно [Morgan, 1971; Wilson, 1973, 1990]. Однако конкретные механизмы, обес­

печивающие связь астеносферных течений с тек­ тоникой плит, продолжают обсуждаться. Предло­

жены механизмы вязкого трения между текущей

астеносферой и литосферными плитами, грави­

тационного сползания плит с осевых поднятий

СОХ, погружения литосферных плит в мантию

вследствие отрицательной плавучести погружа­

ющихся литосферных плит, созданной более низ­ кой температурой и(или) эклогитизацией субду­

цирующей плиты.

Неоднократно предпринимались попытки

оценить количественно вклад каждого механиз­

ма в движение плит [Артюшков, 1979, 1993;

Ueda, 1982; Turcotte, Shubert, 1982]. Оценки от­

носительно недавних лет [Lithgow-Bertelloni,

Richards, 1995; Lithgow-Bertelloni et аl., 1996]

позволяют сделать вывод, что, по крайней мере, в течение кайнозоя основной причиной движе­

ния плит была отрицательная плавучесть суб­

дуцирующих плит и другие эффекты в зонах суб­

дукции, которые обеспечивают около 90 % сил, движущих плиты. Только 1О % силы плавучес­ ти обеспечивается поднятием СОХ. Однако это

заключение неприменимо к южной части Атлан­

тики, Африки, Южной Америки и плите Наска

(см. рис. 1.2 и 4.13). Здесь большое значение

имеют крупномасштабные восходящие течения в нижней и верхней мантии, которые обеспечи­ вают движение Южно-Американской плиты главным образом под воздействием вязкого тре­

ния между плитой и интенсивным мантийным

течением, растекающимся далее параллельно

Перуанскому желобу вдоль погружающейся пли­

ты Наска [Lithgow-Bertelloni et а1., 1996; Russo, Silver, 1996].

Остаются дискуссионными проблемы тек­

тоники плит: причины и механизм начальных

тийная конвекция, модели двухслойной конвек­

ции, конвекции с независимыми мантийными

струями (плюмами) и др.

Пока еще многие модели содержат немало

произвольных допущений и не опираются на

физическое моделирование, позволяющее умень­

шить степень неопределенности. Эти вопросы

рассмотрены в гл. 4, 5 и 6 после изложения основ физического моделирования и возможностей эк­

спериментальной проверки моделей. Будут рас­

смотрены общие модели конвекции в Земле при

наличии различных типов плюмов, а также мо­

дели трех основных процессов, обеспечивающих возникновение и стабильность движения лито­

сферных плит:

~спрединга в срединно-океанических

хребтах;

~субдукции в островных дугах и активных

окраинах;

~коллизии гималайского и других типов.

Взаключение этого раздела приведем ос­

новные положения тектоники плит в классичес­

ком варианте, как они были даны в 1968 г. [Le Pichon, 1968] и в более современном варианте [Хаин, 1994], с уточнениями и усложнениями,

частично отмеченными выше (табл. 1.5). Палеогеодинамические реконструкции.

К числу важнейших следствий тектоники плит

относится возможность палеогеодинамических

реконструкций, позволяющих восстановить по­

ложение континентов, океанов и островных дуг в прошлом и проанализировать эволюцию склад­

чатых поясов, возникших после закрытия древ­ них океанов.

Наиболее надежно эти реконструкции вы­

полнены для кайнозойского и мезозойского вре­

мени [Зоненшайн и др., 1987; Scotese et аl., 1988;

Зоненшайн, Кузьмин, 1993а]. В их основе лежит

знание о возрасте океанического дна и палеомаг­

нитные данные. Последовательно "вынимая" все

более древние участки (полосы) океанического дна, начиная с самых молодых (0-5 млн лет), мы

получаем картину относительного положения

континентов в разные моменты времени. Палео­

магнитные и геологические данные позволяют

контролировать эти реконструкции.

(рис. 1.15 (1)). Кроме того, сделана попытка пред­

сказать возможное положение континентов с об­

разованием нового суперконтинента через

250 млн лет [Maruyama, 1994]. Основанием для

этого служат современные движения плит, кото­

рые позволяют довольно обоснованно судить о положении континентов в ближайшем будущем

[Duncan, Turcott, 1994]; использован также цикл

"от Пангеи до Пангеи" продолжительностью око-

ло 450 млн лет и некоторые дополнительные

предположения [Maruyama, 1994]. Обоснование этих дополнительных предположений довольно

проблематично, поэтому реконструкция будуще­ го суперконтинента (см. рис. 1.15 (3), (4))-лишь

одна из возможных.

Достаточно обоснованными представляют­

ся палеогеодинамические реконструкции для па­

леозойского времени в интервале 220-550 млн лет

ты, глаукофановые сланцы и зоны меланжа - ин­ дикаторы палеозон субдукции (точнее, опреде­

ленной стадии в эволюции этих зон, приводящей

к их "перескоку" или прекращению субдукции). Примеры этих и других комплексов и доказатель­ ность используемых признаков будут обсуждены в гл. 6.

Одним из результатов плитотектонических

реконструкций палеозойского времени является

построение еще одного или двух суперконтинен­

тов в позднем докембрии 750-800 или 950-

1000 млн лет назад [Hoffman, 1991; Dalziel et al.,

1994; Young, 1995]. Их распад привел к рожде­ нию Палеоазиатского океана и Палеопацифики

[Maruyama, 1994; Dobretsov et al., 1995а]. При

палеореконструкциях древних эпох трудности

нарастают, и вряд ли удастся реконструировать

точное положение палеоокеанов и палеоконти­

нентов для этих эпох.

Тем не менее с большой вероятностью ус­ тановлено, что суперконтиненты Пангеи суще-

ствовали в истории Земли несколько раз, распа­ даясь и собираясь вновь со средним периодом 500 млн лет, названным циклом Уилсона

[Wilson, 1990; Хаин, 1994]. Причины распада и

образования суперконтинентов в рамках моде­ лей конвекции обсуждал в.п. Трубицын [Тру­ бицын, Николайчик, 1991; Рыков, Трубицын, 1994; Трубицын, Рыков, 2000]. Кроме того, су­ ществуют более короткие циклы Бертрана с дли­ тельностью около млн лет [Хаин, 1994]

и главная геологическая периодичность с пери­

одом 30 или 60 млн лет [Rampino, Caldeira, 1993 ;

Добрецов, 1988, 1994а,б]. Причины этих перио­

дичностей, а также общая эволюция Зе~ли бу­

дут рассмотрены в гл. 7.

Для построения адекватных геодинамичес­

ких моделей, наряду с оптимальным учетом гео­

логических фактов, очень важна хорошая физи­ ческая основа. Теоретические основы теплофи­

зического моделирования представлены в следу­

ющих гл. 2 и 3.