ЛЕКЦИЯ № 6 ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОЙ

ЛЕКЦИЯ № 6 ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ Наиболее крупными структурными элементами земной коры являются континенты и океаны, характеризующиеся различным строением земной коры. Следовательно, эти структурные элементы должны пониматься в геологическом, вернее даже в геофизическом смысле, так как определить тип строения земной коры возможно только сейсмическими методами. Отсюда ясно, что не все пространство, занятое водами океана, представляет собой в геофизическом смысле океанскую структуру. Обширные шельфовые области, например, в Северном Ледовитом океане, обладают континентальной корой. Различия между этими двумя крупнейшими структурными элементами не ограничиваются типом земной коры, а прослеживаются и глубже, в верхнюю мантию, которая под континентами построена иначе, чем под океанами, и эти различия охватывают всю литосферу, а места и тектоносферу, т. е. прослеживаются до глубин примерно в 700 км.

Схема расположения литосферных плит. Стрелки указывают направления относительного движения плит, определенные по магнитным аномалиям морского дна и записям землетрясений: 1– 2 — конструктивные границы плит: 1– срединно-океанические хребты, 2– рифты континентов, 3– 4 — деструктивные границы: 3– зоны субдукции, 4– зоны коллизии; 5 — трансформные границы; 6 — вектор скорости раздвижения; 7 — вектор скорости сближения; 8 — вектор сдвигового смещения. По работе (Браун, Массет, 1984) с изменениями и дополнениями

В пределах океанов и континентов выделяются менее крупные структурные элементы. Во-первых, это стабильные структуры - платформы, которые могут быть как в океанах, так и на континентах. Они характеризуются, как правило, выровненным, спокойным рельефом, которому соответствует такое же положение поверхности на глубине, только под континентальными платформами она находится на глубинах 30 -50 км, а под океанами 5 -8 км, так как океанская кора гораздо тоньше континентальной. В океанах, как структурных элементах, выделяются срединно- океанские подвижные пояса, представленные срединно- океанскими хребтами с рифтовыми зонами в их осевой части, пересеченными трансформными разломами и являющиеся в настоящее время зонами спрединга, т. е. расширения океанского дна и наращивания новообразованной океанской коры. Следовательно, в океанах как структурах, выделяются устойчивые платформы (плиты) и мобильные срединно-океанские пояса.

Распространение кайнозойских континентальных рифтовых зон и систем и океанических спрединговых поясов Земли. 1 - внутриокеанические спрединговые пояса; 2 - Западно-Тихоокеанский окраинно- океанический спрединговый пояс; 3 - активные осевые зоны спрединговых поясов и пересекающие их крупнейшие трансформные разломы; 4 - отмершие осевые зоны спрединговых поясов; 5 - континентальные рифтовые зоны и системы; 6 - стабильные ядра континентов - древние платформы; 7 - подвижные пояса разного возраста в пределах континентов и их окраин; 8 - области дна океанов вне кайнозойских спрединговых поясов преимущественно с мезозойской корой океанского типа.

Разрез океана

На континентах как структурных элементах высшего ранга выделяются стабильные области - платформы и эпиплатформенные орогенные пояса, сформировавшиеся в неоген-четвертичное время в устойчивых структурных элементах земной коры после периода платформенного развития. К таким поясам можно отнести современные горные сооружения Тянь-Шаня, Алтая, Саян, Западного и Восточного Забайкалья, Восточную Африку и др. Кроме того, подвижные геосинклинальные пояса, подвергнувшиеся складчатости и орогенезу в альпийскую эпоху, т. е. также в неоген-четвертичное время, составляют эпигеосинклинальные орогенные пояса , такие, как Альпы, Карпаты, Динариды, Кавказ, Копетдаг, Камчатка и др. На территории некоторых континентов, в зоне перехода континент -океан (в геофизическом смысле) находятся окраинно- континентальные, по терминологии В. Е Хаина, подвижные геосинклинальные пояса , представляющие собой сложное сочетание окраинных морей, островных дуг и глубоководных желобов. Это пояса высокой современной тектонической активности, контрастности движений, сейсмичности и вулканизма. В геологическом прошлом функционировали и межконтинентальные геосинклинальные пояса , например Урало-Охотский, связанный с

Современные платформы

Рис. Размещение эпицентров землетрясений на поверхности Земли, по М. Баразанги, Дж. Дорману (1969)

Подвижные пояса

Рассмотрим основные структурные элементы земной коры более подробно. Древние платформы являются устойчивыми глыбами земной коры, сформировавшимися в позднем архее или раннем протерозое. Их отличительная черта - двухэтажность строения. Нижний этаж, или фундамент сложен складчатыми, глубоко метаморфизованными толщами пород, прорванными гранитными интрузивами, с широким развитием гнейсовых и гранито-гнейсовых куполов или овалов - специфической формой метаморфогенной складчатости. Фундамент платформировался в течение длительного времени в архее и раннем протерозое и впоследствии подвергся очень сильному размыву и денудации, в результате которых вскрылись породы, залегавшие раньше на большой глубине.

Структурные элементы земной коры

Площадь древних платформ на материках приближается к 40% и для них характерны угловатые очертания с протяженными прямолинейными границами - следствием краевых швов (глубинных разломов). Складчатые области и системы либо надвинуты на платформы, либо граничат с ними через передовые прогибы, на которые в свою очередь надвинуты складчатые орогены. Границы древних платформ резко несогласно пересекают их внутренние структуры, что свидетельствует об их вторичном характере в результате раскола суперматерика Пангеи-1, возникшего в конце раннего протерозоя. Верхний этаж платформ представлен чехлом, или покровом полого залегающих с резким угловым несогласием на фундаменте неметаморфизованных отложений - морских, континентальных и вулканогенных. Поверхность между чехлом и фундаментом отражает самое важное структурное несогласие в пределах платформ. Строение платформенного чехла оказывается сложным и на многих платформах на ранних стадиях его образования возникают грабены, грабенообразные прогибы - авлакогены

Среди наиболее крупных структурных элементов платформ выделяются щиты и плиты. Щит - это выступ на поверхность фундамента платформы, который на протяжении всего платформенного этапа развития испытывал тенденцию к поднятию. Плита - часть платформы, перекрытая чехлом отложений и обладающая тенденцией к прогибанию. В пределах плит различаются более мелкие структурные элементы. В первую очередь это синеклизы - обширные плоские впадины, под которыми фундамент прогнут, и антеклизы - пологие своды с поднятым фундаментом и относительно утоненным чехлом. По краям платформ, там, где они граничат со складчатыми поясами, часто образуются глубокие впадины, называемые перикратонными (т. е. на краю кратона, или платформы). Нередко антеклизы и синеклизы осложнены второстепенными структурами меньших размеров: сводами, впадинами, валами.

Состав отложений платформенного чехла разнообразный, но чаще всего преобладают осадочные породы - морские и континентальные, образующие выдержанные пласты и толщи на большой площади. Весьма характерны карбонатные формации, например, белого писчего мела, органогенных известняков, типичных для гумидного климата и доломитов с сульфатными осадками, образующимися в аридных климатических условиях. Широко развиты континентальные обломочные формации, приуроченные, как правило, к основанию крупных комплексов, отвечающих определенным этапам развития платформенного чехла. На смену им нередко приходят эвапоритовые или угленосные паралические формации и терригенные - песчаные с фосфоритами, глинисто-песчаные, иногда пестроцветные. Карбонатные формации знаменуют собой обычно «зенит» развития комплекса, а далее можно наблюдать смену формаций в обратной последовательности. Для многих платформ типичны покровно-ледниковые отложения.

Платформенный чехол в процессе формирования неоднократно претерпевал перестройку структурного плана, приуроченную к рубежам крупных геотектонических циклов: байкальского, каледонского, герцинского, альпийского и др. Участки платформ, испытывавшие максимальные погружения, как правило, примыкают к той пограничной с платформой подвижной области или системе, которая в это время активно развивалась. Для платформ характерен и специфический магматизм, проявляющийся в моменты их тектоно-магматической активизации. Наиболее типична трапповая формация, объединяющая вулканические продукты – лавы, туфы и интрузивы, сложенные базальтами континентального типа. Объем продуктов трапповой формации может достигать 1— 2 млн км 3 , как, например, на Сибирской платформе. Очень важное значение имеет щелочно- ультраосновная (кимберлитовая) формация, содержащая алмазы в продуктах трубок взрыва (Сибирская платформа, Южная Африка).

Сибирские траппы

Кимберлитовая трубка

Кроме древних платформ выделяют и молодые, хотя чаще их называют плитами, сформировавшимися либо на байкальском, каледонском или герцинском фундаменте, отличающемся большой дислоцированностью чехла, меньшей степенью метаморфизма пород фундамента и значительной унаследованностью структур чехла от структур фундамента. Примерами таких платформ (плит) являются эпибайкальская Тимано-Печорская, эпигерцинская Скифская, эпипалеозойская Западно-Сибирская и др. Подвижные геосинклинальные пояса являются чрезвычайно важным структурным элементом земной коры, обычно располагающимся в зоне перехода от континента к океану и в процессе эволюции формирующим мощную континентальную кору. Смысл эволюции геосинклинали заключается в образовании прогиба в земной коре в условиях тектонического растяжения. Этот процесс сопровождается подводными вулканическими излияниями, накоплением глубоководных терригенных и кремнистых отложений. Затем возникают частные поднятия, структура прогиба усложняется и за счет размыва поднятий, сложенных основными вулканитами.

Поднятия разрастаются, происходит своеобразная инверсия прогибов, внедряются гранитные интрузивы и все отложения сминаются в складки. На месте геосинклинали возникает горное поднятие, перед фронтом которого растут передовые прогибы, заполняемые молассами - грубообломочными продуктами разрушения гор, а в последних развивается наземный вулканизм, поставляющий продукты среднего и кислого состава - андезиты, дациты, риолиты. В дальнейшем горно-складчатое сооружение размывается, так как темп поднятий падает, и ороген превращается в пенепленизированную равнину. Такова общая идея геосинклинального цикла развития. Успехи в изучении океанов привели в 60 -е годы нашего века к созданию новой глобальной геотектонической теории – тектоники литосферных плит, позволившей на актуалистической основе воссоздать историю развития подвижных геосинклинальных областей и перемещения континентальных плит. Суть этой теории заключается в выделении крупных литосферных плит, границы которых маркируются современными поясами сейсмичности, и во взаимодействии плит путем их перемещения и вращения.

Литосферные плиты Земли. 1 – дивергентные границы (а – срединно-океанские хребты, б – континентальные рифты); 2 – трансформные границы; 3 – конвергентные границы (а – островодужные, б – активные континентальные окраины, в – коллизионные); 4 – направления и скорости (см/год) движения плит.

В океанах происходит наращивание, расширение океанской коры путем ее новообразования в рифтовых зонах срединно-океанских хребтов. Поскольку радиус Зeмли существенно не меняется, новообразованная кора должна поглощаться и уходить под континентальную, т. е. происходит ее субдукция (погружение). Эти районы отмечены мощной вулканической деятельностью, сейсмичностью, наличием островных дуг, окраинных глубоководных желобов, как, например, на восточной периферии Евразии. Все эти процессы отмечают собой активную континентальную окраину, т. е. зону взаимодействия океанской и континентальной коры. Напротив, те участки континентов, которые составляют с частью океанов единую литосферную плиту, как, например, по западной и восточной окраине Атлантики, называются пассивной континентальной окраиной и лишены всех перечисленных выше признаков, но характеризуются мощной толщей осадочных пород над континентальным склоном

Сходство вулканогенных и осадочных пород ранних стадий развития геосинклиналей, так называемой офиолитовой ассоциации, с разрезом коры океанского типа позволило предположить, что последние закладывались на океанской коре и дальнейшее развитие океанского бассейна приводило сначала к его расширению, а затем закрытию с образованием вулканических островных дуг, глубоководных желобов и формированию мощной континентальной коры. В этом видят сущность геосинклинального процесса. Исходя из сказанного, под геосинклинальным поясом понимается подвижной поя протяженностью в тысячи километров, закладывающийся на границе литосферных плит, характеризующийся длительным проявлением разнообразного вулканизма, активного осадконакопления и на конечных стадиях развития превращающийся в горно-складчатое сооружение с мощной континентальной корой. Примером таких глобальных поясов являются: межконтинентальные - Урало-Охотский палеозойский; Средиземноморский альпийский, Атлантический палеозойский; окраинно-континентальные - Тихоокеанский мезозойско- кайнозойский и др.

В развитии геосинклинальных подвижных поясов, областей и систем в самом обобщенном виде выделяются два основных этапа: собственно геосинклинальный и орогенный. В первом из них различают две главные стадии: раннегеосинклинальная и позднегеосинклинальная. Раннегеосинклинальная стадия характеризуется процессами растяжения, расширения океанского дна путем спрединга и одновременно сжатия в краевых зонах, где возникают наклонные сейсмофокальные зоны Беньофа, приуроченные преимущественно к границам континентальных и океанских плит. Позднегеосинклинальная стадия начинается в момент усложнения внутренней структуры подвижного пояса. Оно обусловлено процессами сжатия, проявляющимися все сильнее в связи с начинающимися закрытием океанского бассейна и встречным движением литосферных плит. Все это приводит к поглощению океанской коры в зонах субдукции, образованию сейсмофокальных зон Беньофа и появлению вулканических островных дуг, возникновению впадин тыловых (окраинных) морей. Можно сказать, что это время господства островных дуг, недаром стадия иногда называется островодужной. Орогенный этап сменяет позднегеосинклинальную стадию и, правило (но не всегда), тоже состоит из ранне- и позднеорогенных стадий. На первой из них темп поднятия орогена еще невелик, он слаба расчленен и в заложившихся перед его фронтом передовых прогибах накапливаются тонкообломочные породы - тонкие молассы, часто сосуществующие в зависимости от климатических условий с соленосными и угленосными толщами. В позднюю стадию горное сооружение растет быстрее, оно расширяется, передовые прогибы как бы «накатываются» , смещаются в сторону платформ и заполняются грубообломочной молассой. В самих горных сооружениях возникают межгорные впадины, нередко развивающиеся на срединных массивах. Для орогенного этапа очень характерен наземный среднещелочной андезит-дацит-риолитовый вулканизм с формированием крупных стратовулканов и вулкано-тектонических впадин

ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАЗВИТИИ СТРУКТУР ЗЕМНОЙ КОРЫ Гипотеза спрединга или разрастания океанского дна, создана в 1962 г. американскими геологами Г. Хессом и Р. Дитцем. Буквально через год англичане Ф. Вайн и Д. Метьюз дали объяснение линейным магнитным аномалиям, подтвердившее спрединг океанского дна. В дальнейшем все зги линейные аномалии были классифицированы по возрасту и оказалось, что наиболее древние аномалии дальше всего отстоят от рифтовой зоны срединно- океанских хребтов и располагаются по обе стороны от него симметрично. В 1968 г. усилиями американских геологов и геофизиков Л. Р. Сайкса, Дж. Оливера, Б. Изакса, У. Дж. Моргана и других была сформулирована новая тектоническая гипотеза «тектоники литосферных плит» , или «новая глобальная тектоника» . В ыделяются 6 -8 крупных литосферных плит, отличающиеся относительной жесткостью и включающих континенты и часть океанского дна. Границы плит маркируются современными зонами высокой сейсмичности, а ниже плит располагается менее вязкая астеносфера. Литосферные плиты могут испытывать перемещения как по широте, так и по долготе, а также вращаться, причем их движения происходят по законам сферической геометрии, что позволяет с помощью палеомагнитных данных рассчитывать движение плит.

Рис. Блок-диаграмма Б. Айзекса, Дж. Оливера и Л. Сайкса (1968), иллюстрирующая относительное движение жестких литосферных плит, формирующихся в зонах спрединга и поглощаемых в зонах субдукции

Разрастание океанской коры в зонах спрединга приводит к расширению океанов и, соответственно, к движению литосферных плит, что подтверждено наблюдениями со спутников. С учетом постулируемого отсутствия расширения Земли, новообразованная океанская кора должна где-то поглощаться, иначе невозможно объяснить, например, мезозойский возраст древнейшей коры Тихого океана, при этом, что в палеозое, а может быть и раньше, он существовал. Погружение тяжелых масс океанской коры происходит в зонах столкновения ее с более легкой континентальной корой, возникают глубинные сейсмофокальные зоны Беньофа, вулканические островные дуги и глубоководные желоба, в которых сейсмофокальная зона выходит на поверхность. Границы плит, связанные с поглощением - субдукцией океанской коры, называются деструктивными, а границы, обусловленные процессом ее наращивания - конструктивными.

Литосферные плиты Земли. 1 – дивергентные границы (а – срединно-океанские хребты, б – континентальные рифты); 2 – трансформные границы; 3 – конвергентные границы (а – островодужные, б – активные континентальные окраины, в – коллизионные); 4 – направления и скорости (см/год) движения плит.

Движение литосферных плит

Спрединг и субдукция

Было установлено, что возраст океанской коры удревняется в стороны от рифтовых зон, как и возраст вулканов. Точно так же и в тех же направлениях удревняется и возраст осадочных пород дна океана. Следует особо подчеркнуть, что практически все глубоководные скважины, а их пробурено уже более 800, вскрыли отложения того возраста, который был предсказан, исходя из концепции тектоники плит. Эта предсказательная способность гипотезы тектоники литосферных плит является ее очень сильной стороной и превращает в теорию, чего нельзя сказать о геосинклинальной концепции. Движущей силой механизма движения плит служит тепловая конвекция. Нагретые струи вещества мантии медленно поднимаются в срединно-океанских хребтах и также медленно расходятся в стороны, охлаждаясь и опускаясь в зонах субдукции. Эти потоки, или струи, несут на себе литосферные плиты. Вот вкратце, сущность концепции новой глобальной тектоники. С момента установления сходства офиолитовой ассоциации с разрезом океанской коры появилась возможность по-новому интерпретировать историю геологического развития подвижных геосинклинальных поясов. Рассчитанные с помощью палеомагнитных данных, перемещения континентальных плит позволили вполне удовлетворительно объяснить климатическую зональность прошлых эпох.