Плотность блоков земной коры и изостазия

Комплексные геолого-геофизические исследования, выполненные к настоящему времени на территории Беларуси, дают основания заключить, что земная кора Беларуси в тектоническом отношении представляет собой систему крупных блоков, разделенных сквозькоровыми глубинными разломами (рис.5). Пространственное расположение блоков различной геофизической типизации интерпретируется как свидетельство сложной картины тектонофизических процессов, протекавших в геологической истории формирования литосферы Беларуси. В плотностном отношении типу А соответствует сильно уплотненная кора, типу В – уплотненная кора, типу AB – кора умеренной плотности, но с существенно уплотненным нижним слоем, типу BC – кора умеренной плотности (в Гомельском блоке отмечается сильно уплотненная кора в его юго-западной части и уплотненный верхний слой), типам CD и C – кора пониженной плотности; тип F обладает разуплотненной корой.

Неоднородность земной коры Беларуси по типам ее глубинного строения, а тем самым и по плотностной характеристике, являясь фактором глобального процесса гравитационной дифференциации вещества с тенденцией к гидростатическому равновесию, оказывает ведущее влияние на тектоническую перестройку. В связи с этим обратимся к теории изостазии, согласно которой отдельные блоки литосферы находятся в состоянии равновесия, как бы плавая на подстилающих значительно более вязких массах согласно законам гидростатики. По различным оценкам глубина изостатической компенсации (поверхности равного давления) H_ik в среднем около 80-100 км, хотя имеются и предположения о том, что такой поверхностью может быть граница Мохо (H_M). Имея это ввиду, для литосферы Беларуси определим глубину залегания поверхности изостатической компенсации H_ik на отрезке [РH_M, H_S=100км] из условия: H_ik равна той первой глубине H_j из последовательности {H_M < H₁< H₂<…<H_S}, для которой дисперсия значений давлений по геофизическим блокам будет удовлетворять неравенству

, (1)

где

(2)

– давление Q-го блока на поверхности компенсации, расположенной на глубине Н_j [H_М, 100 км]; g(Q) – ускорение силы тяжести для блока Q; (Q,z) – переменная по вертикали (z) плотность вещества Q-го блока; – среднее значение давления на поверхности Н_j, вычисляемое по всем n блокам; ₀ – допустимый разброс значений давлений на плоскости z=H_j для рассматриваемых блоков. Значение ₀ введем, используя однородный по плотности блок, полагая для него g=(9,8510^-4) м/с², =(3,00,02)  10³ кг/м³, Н=(701)10³м. При этих значениях получаем ₀=3010⁶Па.

В таблице по основным геофизическим блокам приведены плотностные разрезы земной коры и надастеносферной верхней мантии, полученные на основании комплексного анализа материалов глубинных сейсмических зондирований и гравитационного моделирования, и даны расчеты по формуле (2) давлений блоков на разных уровнях глубинности. Для отыскания H_ik по этим данным по формуле (1) были вычислены значения дисперсий D_p последовательно для Н_j=Н_М, 60, 65, 70, 80, 100 км.

Сравнение их с ₀ показало, прежде всего, что давления блоков земной коры на поверхности Мохо существенно превышают уровень ₀. Это значит, что на территории Беларуси подошва земной коры не может быть поверхностью изостатичесокй компенсации, что теоретически было убедительно доказано С.С.Красовским..

Для всех остальных расчетных глубин, начиная с 60 км, значения дисперсий удовлетворяют условия (1). Следовательно, глубина залегания плоскости изостатической компенсации H_ik для литосферы Беларуси равно 60 км. То есть, в настоящее время верхняя часть литосферы Беларуси мощностью 60 км находится в изостатическом состоянии. Обратим внимание на то обстоятельство, что на этой же глубине по данным ГСЗ на профиле EUROBRIDGE 96 обнаружена субгоризонтальная сейсмическая граница (рис.8,15).

Анализируя таблицу и характер распределения блоков различного состава, легко заметить, что давление блоков на поверхность компенсации в большей мере зависит от мощности и плотности нижнего слоя коры. К утолщенной литосфере в значительно большей степени тяготеют блоки, имеющие интегральный основной или основной-средний состав. Эти же блоки генетически типизируются соответственно типами A и AB. Значительно меньше влияние на величину давления оказывают изменения плотности и мощности средней и верхней коры.

Однако для некоторых блоков указанные закономерности нарушаются. Это прежде всего имеет место для блоков в южной части Беларуси – Гомельского, Мозырского, Брестского, – которые находятся в пределах Припятско-Брестского субширотного линеамента. Брестский и Мозырский блоки имеют относительно малую мощность земной коры и ее нижней части, если таковую рассматривать только до поверхности коро-мантийной смеси. Поверхность коро-мантийной смеси не является границей между земной корой и верхней мантией, ее следует рассматривать как внутрикоровую, хотя она, вероятно, в силу специфики своего формирования, обладает сейсмическими свойствами вещества самых верхов верхней мантии, расположенного непосредственно под поверхностью Мохо. Это позволяет предполагать утяжеление блоков, имеющих коро-мантийную смесь, и соответствующее увеличение давления на поверхность компенсации. Гомельский блок имеет аномальное уплотнение всего разреза земной коры, что объясняется интенсивным внедрением основных пород из мантии в верхнюю часть коры. Все это свидетельствует об индивидуальности и локализованном характере тектонофизических процессов, происходивших в Припятско-Брестском линеаменте на стадии активизации и рифтогенеза.

По данным ГСЗ и гравитационного моделирования на территории Беларуси ниже плоскости H_ik=60 км до глубин 90-100 км, соответствующих верхним отметкам кровли астеносферы, плотность вещества литосферы закономерно увеличивается с глубиной, не изменяясь по латерали. Тем самым, слой литосферы мощностью 30-40 км, заключенный между этими плоскостями, создает одинаковое давление на нижележащие слои на всей территории Беларуси.

Ниже этого слоя, т.е. ниже плоскости H=90-100 км, плотностной режим вещества неоднороден за счет изменчивости мощности литосферы (см. рис.15). Так, мощность литосферы на территории Беларуси с наибольшим градиентом уменьшается в юго-восточном направлении от 190-200 км под Белорусской антеклизой, до 90-100 км под Припятским прогибом. На широте г. Минска она имеет региональную тенденцию к уменьшению в восточном направлении примерно от 200 км до 140-150 км. Соответственно увеличивается мощность астеносферы примерно на ту же величину 50-60 км. Региональное гравитационное поле в этом направлении уменьшается примерно на 35-45 мГал. Полагая, что этот эффект обусловлен изменением мощностей литосферы и астеносферы, вещество этих геосфер вдоль срезов на глубинах ниже 90-100 км (см. рис.15) должно различаться по плотности на 0,0110³-0,0210³кг/м³. Это может создать между западной и восточной частями территории Беларуси избыточное давление литосферного блока на подстилающий его астеносферный слой в среднем gH=0,01510³9,85510³=8,110⁶Па, соизмеримое с пределом прочности пород на разрыв. Следовательно, слой верхней мантии ниже горизонта 90-100 км не подчиняется изостатической концепции Пратта-Эри. Поскольку же в настоящее время система «литосфера-астеносфера», тем не менее, находится в равновесном состоянии, то это избыточное давление компенсируется за счет внутренних упруго-вязких напряжений астеносферы (т.е. литосфера может быть уподоблена неравновесному телу, лежащему на надувном матраце). По-видимому, в геологическом времени эта система неустойчива: привнос в астеносферу горячего глубинного вещества приводит к растрескиванию вышележащей хрупкой литосферы, к внедрению в ее верхние горизонты магматических расплавов и флюидов, в конечном итоге, увеличивающих вес и мощность литосферы, что в особенности хорошо иллюстрируется распределением плотности по разрезу в Гомельском блоке.

Таким образом, в формировании тектоносферы Беларуси главными процессами являются: процесс изостазии, проистекающий в верхней части литосферы и подчиняющийся законам классической теории Пратта-Эри, и мантийно-астеносферный процесс, обусловленный внедрением в астеносферу глубинного мантийного вещества. Первый из них направлен вниз, а второй – вверх. Иначе говоря, тектонические процессы, происходившие в регионе, связаны с динамикой как на уровне выше поверхности компенсации, так и с более глубинными процессами, происходившими в астеносферном слое.

Сравнение мощности литосферы и астеносферы с платформенными тектоническими элементами показывает их хорошее совпадение. Крупные положительные структуры (Украинский щит, Белорусская антеклиза) имеют мощную литосферу и тонкую астеносферу. Наоборот, к основным отрицательным структурам приурочена тонкая литосфера и утолщенная астеносфера. Это свидетельствует о том, что современные мощности литосферы и астеносферы формировались главным образом в течение довольно длительного платформенного этапа развития Восточно-Европейской платформы, носило региональный характер, и связано главным образом с глубинно-астеносферными процессами. Вклад же в тектонику региона Изостатические же процессы,как это показано выше, характерны для более локальных структур.

Важнейшим вопросом теории изостазии является вопрос о нагрузке, способной нарушить сцепление вещества соседних блоков и обеспечить их вертикальное перемещение. В связи с этим рассмотрим геомеханическую систему «разлом-блок», полагая, что блоки перемещаются относительно друг друга по разделяющим их разломам под действием касательных напряжений, создающих сдвиг. Из таблицы видно, что в пределах земной коры между разломом и блоком существует избыточное давление, равное в среднем 1438-1298=14010⁶Па. Это значение и примем за действующее вдоль разлома касательное напряжение _p. Сопоставим это значение с пределом прочности горных пород на сдвиг. Как известно, вещество разлома (особенно возникших в результате растяжения) по своим физическим свойствам существенно отлично от пород смежных с ними блоков: оно менее плотное, более рыхлое, обладает высокой проницаемостью и пористостью, хорошей фильтрационной способностью, водонасыщенностью. Лабораторные исследования показывают, что для горных пород с такими свойствами характерно относительно пониженное сопротивление на сдвиг, а прочность на разрыв уменьшается в несколько раз. Поскольку предел прочности горных пород на разрыв оценивается величиной 10⁵-10⁶Па (10⁷-10⁸ дин/см²), то, учитывая состояние вещества разлома, в качестве предела прочности на сдвиг для разлома примем значение 510⁴-510⁵Па. Сопоставляя это значение с величиной избыточных касательных напряжений на границе «разлом-блок», равной 14010⁶Па, заключаем, что существующее различие в весе разлома и блока вполне обеспечивает нарушение сцепления вещества разлома и блока. Эти расчеты подтверждаются данными повторных нивелировок, выполненных на территории Беларуси, свидетельствующих о современных вертикальных перемещениях блоков по разломам..

На границе изостатической компенсации, т.е. уже на глубинах 60 км, дальнейшее вертикальное опускание тяжелых блоков в мантию практически прекращается. И, следовательно, разломы, разделяющие блоки различной типизации земной коры, на этих глубинах залечиваются, образуя в настоящее время с блоками единое целое ниже поверхности компенсации.