Текст книги "Геотектоника и геодинамика"

Дубинин В. С., Черных Н. В.
Геотектоника и геодинамика

Введение

На протяжении более 150 лет господствовала геосинклинальная концепция формирования и развития Земной коры, строения верхней мантии и причин формирования различных геологических структур. В ее основе вертикальные движения и перемещения блоков коры, прогибания и воздымания отдельных ее областей. Главный недостаток геосинклинальной концепции в почти полном отсутствии сведений о структурах дна океанов. В середине прошлого столетия произошла революция в этой области в связи с активным глубинном бурении дна Тихого, Индийского и Атлантического океанов, выявления целой системы срединных океанических хребтов, зон раздвига различных блоков дна океанов (спрединг), погружения океанической коры под континентальную ( субдукция), уникальные данные по результатам глубинного сейсмического зондирования. Обобщение и анализ огромного фактического материала привело к возникновению новой геотектонической теории, первоначально названной «Новой глобальной тектоникой», а в настоящее время «Концепцией тектоники литосферных плит», в основе которой лежат представления о латеральном перемещении литосферных плит по пластичной астеносфере. Эта концепция является ведущей в настоящее время в области геотектоники и геодинамики. Сложность заключается в том, что геосинклинальная концепция продолжает жить в недрах смежных геологических наук – исторической геологии, литологии и условиях накопления многокилометровых толщ осадочных, вулканических и вулканогенно – осадочных толщ, пргнозных карт и т.п. В связи с этим, в данном учебном пособии освещаются обе концепции. С геосинклинали начинается знакомство студентов с предметом и стадиями развития подвижных складчатых областей, а далее излагаются «Основные положения концепции тектоники литосферных плит».

1 Предмет геотектоники и ее подразделения [1]

Геотектоника – это наука о строении, движениях, деформациях л и т о с ф е р ы. Литосфера включает земную кору и самую верхнюю, наиболее упругую часть мантии. Движения литосферы выражаются в перемещении отдельных ее участков в вертикальном или горизонтальном направлениях. Это приводит к изменениям в условиях залегания и во внутренней структуре масс горных пород. Эти изменения называются т е к т о н и ч е с к и м и д е ф о р м а ц и я м и, а конечный результат деформаций, приводящий к новому залеганию пород – т е к т о н и ч е с к и м и д и с л о к а ц и я м и. Дислокации подразделяются на пликативные ( складчатые ), дизъюнктивные (разрывные ) и инъективные ( связанные с инъекцией, внедрением магматических пород ). Главный источник энергии тектонических движений лежит в подстилающем литосферу слое верхней мантии – а с т е н о с ф е р е. В связи с этим литосферу и астеносферу обычно объединяют в единое понятие – т е к т о н о с ф е р у.

Геотектоника состоит из нескольких разделов:

1. Морфологическая геотектоника ( структурная геология ).

2. Региональная геотектоника, изучающая крупные тектонические нарушения на больших территориях и в пределах всего Земного шара.

3. Историческая геотектоника, устанавливающая основные этапы и стадии развития структуры литосферы как в глобальном, так и в региональном масштабе. Особый раздел геотектоники – это неотектоника, раздел, рассматривающий тектонику неоген-четвертичного периода развития Земной коры.

4.Экспериментальная геотектоника, моделирующая различные геотектонические процессы как пликативные, так и дизъюнктивные.

5. Связь геотектоники с сейсмическими явлениями изучается новым научным направлением – с е й с м о т е к т о н и к о й.

2 Методы геотектоники

2.1 Структурный анализ заключается в изучении взаимного расположения в трехмерном пространстве тектонических нарушений: складок, разрывов со смещением, трещин, внедрением магматических или пластичных осадочных пород (соли, глины), ориентировки минералов в метаморфических породах. Важнейшее значение имеют данные фотоснимков из космоса.

2.2 Геодезические методы используются для изучения современных движений и деформаций. Здесь широко используется лазерная техника, применяемая при методах космической геодезии для выявления перемещений литосферных плит в современную эпоху, изучения структурногеоморфологических элементов ложа океанов.

2.3 Геоморфологические методы применяются при исследовании новейших движений, деформаций и созданных ими структур. Эти тектонические движения отражены в современном рельефе.

2.4 Анализ фаций и мощностей осадочных и вулканогенно-осадочных пород. Это один из основных методов палеотектонического анализа. Анализ фаций применяется в двух измерениях по площади и по вертикальному разрезу. В первом случае составляются карты фаций для определения интервалов стратиграфического разреза или моментов геологического времени. Эти карты по размещению различного типа осадков говорят о областях размыва и сноса, а значит поднятия, либо о накоплении осадков, то есть о областях погружения. Отсюда возможность составить представления о увеличении глубин бассейна и нарастания погружения. Вдоль разломов производятся замеры амплитуд сдвигов или надвигов. Изменение фаций по вертикали говорит о изменениях глубины бассейна.

Анализ мощностей, их изменение по площади дает представление о размере тектонического прогибания в областях накопления осадков и подводных вулканитов.

2.5Анализ перерывов и несогласий – старейший метод палеотектонического анализа, поскольку этот анализ позволяет наиболее достоверно восстановить процессы поднятий и погружений земной коры.

3 Циклы тектогенеза в истории Земли

Этапы интенсивного тектонического развития земной коры, заканчивающиеся образованием горно-складчатых сооружений, называются ц и к л а м и т е к т о г е н е з а. Это длительные отрезки геологического времени и этапы, определяемые многими миллионами лет. Каждый цикл завершался одноименной фазой складчатости. В одних случаях циклы следуют один за другим, в других следующий цикл начинается еще до завершения предыдущего, либо устанавливается пауза между циклами в десятки и сотни миллионов лет. Установлены следующие циклы в позднем докембрии и фанерозое:

Байкальский ( конец протерозоя – ранний кембрий,

Каледонский ( раннепалеозойский – кембрий, ордовик, силур ),

Герцинский ( позднепалеозойский – девон, карбон, пермь, ранний триас ),

Киммерийский (мезозойский ),

Альпийский ( кайнозойский ) – начался в конце мела и продолжается в наше время.

Каждый цикл начинается с заложения глубоких геосинклинальных прогибов в продолжающих свое существование геосинклинальных поясах. либо на площадях. уже испытавших складчатость и вновь вступивших в геосинклинальный этап развития ( регенерированные геосинклинальные прогибы ), либо на внематериковой океанической коре.

4 Общие представления о тектоносфере

Уже упоминалось ранее, что в понятие тектоносферы входит земная кора и верхняя, наиболее плотная и частично раскристаллизованная часть верхней мантии (литосфера) и остальная пластичная часть верхней мантии (астеносфера) [8]

4.1 Истоки сведений о составе и строении тектоносферы

Существуют две главные группы методов изучения состава и строения земной коры и верхней мантии – геологические и геофизические. К первым относятся полевые геологические наблюдения. В океанах, где земная кора много тоньше, чем на континентах, вдоль разломов она часто обнажается полностью и из-под нее выступают породы верхней мантии – это так называемые о ф и о л и т ы.

По ним мы можем судить о океанической коре геологического прошлого и частично о верхней мантии. Очень ценную информацию мы получаем от изучения ксенолитов в базальтах континентов и океанических островов, включениях в алмазоносных кимберлитах, поступающих с глубины 150 км. Научные сведения о составе и особенностях физического состояния континентальной коры на больших глубинах дало бурение Кольской сверхглубокой скважины с глубиной 12261м.

Строение осадочного чехла крупных впадин на континентах и во внутренних и окраинных морях очень успешно освещает с е й с м о с т р а т и г р а ф и я, а более глубинных уровней и мантии – с е й с м и ч е с к о е з о н д и р о в а н и е.

4.2 Состав и строение тектоносферы

В геологическом смысле по вещественному составу тектоносфера прослеживается до глубины 400 км., но в физическом, реологическом смысле она делится на литосферу и астеносферу, причем литосфера включает в себя кроме коры и какую-то часть верхней мантии. При этом земная кора разделена на два типа: континентальную и океаническую.

Океаническая кора занимает на Земле около 56 % коры поверхности, но обладает значительно меньшей мощностью – порядка от 5 до 7 км. Её мощность постепенно возрастает к подножию континентов. В строении океанической коры отчетливо выделяются три слоя:

п е р в ы й, о с а д о ч н ы й с л о й небольшой мощности, порядка одного километра в центральных частях океанов. В зоне срединно-океанических хребтов этот слой может вообще отсутствовать и наоборот, на окраинах океанов его мощность может достигать от 12 до 15 км. Первый слой сложен глинистыми, кремнистыми и карбонатными глубоководными пелагическими осадками. Карбонаты распространяются лишь до некоторой глубины, а ниже исчезают ввиду растворения. Ближе к континенту появляется примесь обломочного материала, снесенного с суши. Возраст этих отложений не более 180 млн. лет;

в т о р о й с л о й океанической коры в верхней части сложен базальтами с редкими и тонкими прослоями пелагических осадков. Базальты часто обладают подушечной отдельностью ( пиллоу-лавы ). В нижней части второго слоя развиты параллельные дайки долеритов. Общая мощность второго слоя до 2 км.

Строение первого и второго слоев хорошо изучено глубоководным бурением, наблюдениями с подводных обитаемых аппаратов, драгированием.;

т р е т и й с л о й океанической коры состоит из полнокристаллических магматических пород основного и ультраосновного состава. В верхней части в основном присутствуют габбро, а в нижней – «полосчатый комплекс», состоящий из чередования габбро и ультрамафитов. Мощность слоя – 5 км. Второй слой вскрыт скважиной в Тихом океане в районе о. Коста-Рика. Третий слой вскрыт в Индийском океане в районе о. Мадагаскар. В Атлантическом океане все три слоя изучены в стенках срединного хребта Атлантики с глубоководных аппаратов и драгированием французскими и российскими исследователями.

Океанический тип коры развит не только в океанах, но и в глубоководных впадинах окраинных морей – Японского, Охотского, в Южно – Охотской котловине.

Возраст современной океанической коры не превышает 180 млн. лет, однако в складчатых поясах континентов известна и более древняя, вплоть до раннедокембрийской кора океанического типа, называемая о ф и о л и т о – в ы м к о м п л е к с о м.

Континентальная кора распространена не только в пределах собственно континентов, т.е. суши, но и в зонах шельфа континентальных окраин и отдельных участков внутри океанических бассейнов м и к р о к о н т и н е н – т о в. Общая площадь распространения континентальной коры – 41 % земной поверхности. Средняя мощность континентальной коры от 35 до 40 км., но под горными сооружениями достигает от 70 до 75 км. В строении континентальной коры выделяются:

Осадочный слой обычно называют осадочным чехлом. Его мощность изменяется от нуля на щитах и поднятиях, в осевых зонах складчатых областей от 10 до 20 км, во впадинах платформ и предгорных передовых прогибах. В этих случаях подстилающая осадки кора, называемая к о н с о л и д и р о в а н н о й, по своему составу близка к коре океанического типа. В состав осадочного чехла входят осадочные породы континентального и мелководного морского происхождения, могут присутствовать покровы и силлы основных эффузивов.

Верхний слой консолидированной коры выходит на дневную поверхность на щитах и массивах платформ, в осевых зонах складчатых сооружений. Этот слой вскрыт Кольской сверхглубокой скважиной, на глубине 12км., сложен гнейсами, кристаллическими сланцами, гранитами, амфиболитами и называется г р а н и т о г н е й со в ы м. В молодых платформах фундамент сложен рифейскими и фанерозойскими породами и именуется г е о с и н к л и н а л ь н ы м с к л а д ч а т ы м о с н о в а н и е м. Он сложен слабометаморфизованными породами в фации «зеленых сланцев».

Нижний слой консолидированной коры представлен метаморфическими породами более высоких ступеней метаморфизма. Граница между верхним и нижним слоями называется « границей Конрада», однако упомянутые глубокие скважины показали, что эта граница прослеживается не везде, а местами наоборот, проявляются две подобные границы. В.В.Белоусов пришел к выводу, что в нижнем слое преобладают породы более основного состава, чем в верхней и назвал этот слой г р а н у л и т б а з и т о в ы м [1].

Между океаническим и континентальным типами коры существует промежуточный, переходный тип – с у б о к е а н и ч е с к а я к о р а, развитая вдоль континентальных окраин, склонов и подножий. Это утоненная континентальная кора, пронизанная дайками и силлами магматических пород. Такая кора обнажена на побережье Красного моря и вскрыта скважиной у входа в Мексиканский залив.

Измерении силы тяжести у подножия горных сооружений привели к понятию «и з о с т а т и ч е с к о е р а в н о в е с и е» , сокращенно «и з о ст аз и я». Существуют два способа осуществления изостазии. Первый заключается в том, что горные сооружения имеют корни, погруженные в мантию и эти корни имеют очертания зеркального отражения горного сооружения. Второй способ предусматривает, что горные сооружения сложены породами менее плотными, а пониженные участки земной коры более плотными. В этом случае подошва земной коры может быть даже горизонтальной. Уравновешенность земной коры континентов и океанов достигается комбинацией обоих механизмов – кора под океанами много тоньше и плотнее, чем под континентами.

Главным источником магматической деятельности является астеносфера. Последней принадлежит ведущая роль в движении литосферных плит. Течение астеносферного вещества увлекает за собой литосферные плиты и вызывает их горизонтальные перемещения. Наибольшие отклонения от изостазии – изостатические аномалии – проявляются в островных дугах и сопряженных с ними глубоководных желобах.

5 Классические представления о геосинклиналях, их истории и развитии [10]

Наиболее полное определение понятия о геосинклинали трактует, что геосинклиналь – это зона высокой подвижности, значительной расчлененности и повышенной проницаемости литосферы. Для этих зон на ранних этапах их развития характерно преобладание погружений земной коры, а на заключительных – интенсивных поднятий, сопровождаемых складчато-надвиговыми деформациями. Для геосинклиналей характерна линейность, большой размах и контрастность тектонических движений, огромная мощность накопленных осадков, специфический набор формаций, активный магматизм, региональный метаморфизм, резко аномальные геофизические поля, повышенный тепловой поток, высокая сейсмичность. Геосинклиналь – это арена максимального проявления внутренней энергии Земли на ее поверхности.

5.1 Внутреннее строение геосинклиналей

Различают следующие геосинклинальные структуры: геосинклинальные пояса, в том числе простые и сложные. Первые характеризуются одновозрастным завершением интенсивного прогибания, инверсией тектонического режима и горообразованием. Простые пояса объединяются параллельностью простирания и тесным прилеганием друг к другу с образованием полициклических геосинклинальных поясов. В.Е.Хаин и А.Е.Михайлов выделяли два типа геосинклинальных поясов: окраинноконтинентальный и межконтинентальный. Первый – это ЗападноТихоокеанский тип с его окраинными морями, островными дугами и глубоководными желобами. Второй – Средиземноморский пояс, протянувшийся между Восточно – Европейской и Китайско – Корейской древними платформами на севере, Африканской и Индостанской на юге. Иначе видит это В.В.Белоусов:

Г е о с и н к л и н а л ь н ы е о б л а с т и – это части геосинклинальных поясов, которые выделяются по их строению и имеют значительные черты современного строения и развития. Это выражается в основном во времени проявления основной фазы складчатости. Границами геосинклинальных областей являются глубинные разломы.

Г е о с и н к л и н а л ь н ы е с и с т е м ы отражают разнообразие геосинклинальных поясов и областей в поперечном сечении. В поперечном сечении геосинклинальный пояс или область состоит из нескольких систем, разделенных срединными массивами.

С р е д и н н ы е м а с с и в ы – это малоподвижные структуры литосферы, по тектонической активности сходные с платформами. Срединные массивы разделяют пояса и области на геосинклинальные системы. На орогенной стадии развития геосинклиналей срединные массивы выражены межгорными впадинами и прогибами или глыбовыми поднятиями с утолщенной континентальной корой.

Ч а с т н ы е г е о с и н к л и н а л и и г е о а н т и к л и н а л и – это составные элементы геосинклинальных систем. По М.М.Тетяеву и В.В.Белоусову это « интрагеосинклинали и интрагеоантиклинали».

Э в г е о с и н к л и н а л и и м и о г е о с и н к л и н а л и отражают поперечное строение геосинклинальных систем, их поперечную зональность. Внешние геосинклинальные прогибы , примыкающие к платформе, со слабым магматизмом Г. Штилле назвал миогеосинклиналями (полугеосинклиналями ). Эти прогибы заполнены сланцевой, флишевой или известняковой формациями. Магматизм проявлен в виде покровов основных эффузивов. Степень метаморфизма слабая.

Эвгеосинклинали – это внутренние прогибы геосинклинальных систем, примыкающих к срединным массивам. Характерна высокая магматическая активность в эффузивной и интрузивной форме. К ним приурочены пояса гипербазитовых интрузий, батолиты гранитоидов. Метаморфизм региональный активный. Эвгеосинклинали созревают раньше миогеосинклиналей, в них раньше наступает эпоха складчатости и горообразования.

5.2 Развитие геосинклиналей

На протяжении тектонического цикла происходит превращение областей активного прогибания земной коры с накоплением мощных осадочновулканогенных толщ в горноскладчатую область интенсивного поднятия. В классическом учении о геосинклиналях предусматриваются следующие основные стадии их развития: начального прогибания, зрелая, или предорогенная, раннеорогенная, собственно орогенная и посторогенная (тафрогенная). Первые две стадии объединяются в собственногеосинклинальный этап ( доинверсионный ), три последующие стадии – в орогеннай, или инверсионный этап.

С т а д и я н а ч а л ь н о г о п о г р у ж е н и я характеризуется интенсивным прогибанием земной коры в узких, но протяженных зонах деструкции коры, в них происходит накопление мощных толщ морских песчано-глинистых осадков, которые в последствии преобразуются в сланцево-граувакковую и аспидную формации мощностью от 10 до 12 км. Процессы прогибания приводят к растяжению коры и образованию трещин растяжения, по которым происходит излияние базальтовых лав. Этот процесс называется инициальным вулканизмом по Г. Штилле. в связи с подводными условиями излияния этих магматитов, они подвергаются быстрому метаморфизму на стадии « зеленых сланцев», хлоритизации и альбитизации пород. Образуется спилит – кератофировая формация. С ней тесно связаны кремнистые формации – яшмовая и радиоляритовая, что обусловлено выносом из недр большого количества кремнекислоты через подводные гидротермы ( девон Урала, протерозой Казахстана ).

К концу первой стадии в эвгеосинклиналях по тектоническим разломам происходит внедрение гипербазитов. Отсутствие контактовых изменений, обилие зеркал скольжения говорят о холодном внедрении гипербазитов, в виде протрузий по разрывным нарушениям.

Окончание первой стадии развития геосинклинали знаменуется частной инверсией, которая сопровождается складкообразованием и внедрением первых гранитоидных интрузий плагиогранитного или сиенитового состава. Такие интрузии называют с и н т е к т о н и ч е с к и м и или с и н о р о г е н н ы м и.

Итак, первая стадия завершается образованием внутренних поднятий, расчленением геосинклинальной системы, складчатостью, внедрением первых интрузий.

З р е л а я , и л и п р е д о р о г е н н а я с т а д и я характеризуется продолжением прогибания геосинклинали, но его скорость снижается при расширении площади прогибов. В условиях островного моря накапливается типичная флишевая формация. Флиш накапливается в узких глубоких флишевых прогибах с активными придонными течениями и мутьевыми потоками, стекающими с континентальных склонов. Эти турбидитные осадки приносят огромное количество обломочного материала. Кроме того для зрелой стадии характерно развитие известняковой формации, развитой в пределах затопленных срединных массивов, миогеосинклиналях и интрагеоантиклиналях. На зрелой стадии образуется порфиритовая андезитовая формация. Трещинный вулканизм сменялся вулканизмом центрального типа, создавались островные дуги. Завершение второй стадии развития геосинклинали знаменуется образованием синорогенных батолитовых интрузий гранитоидной формации, представленной гранодиоритами, нормальными калиевыми гранитами, плагиогранитами и кварцевыми диоритами. Наступает режим перестройки геосинклинали, ее перехода в эпоху общей инверсии..

Р а н н е о р о г е н н а я с т а д и я – это эпоха инверсии тектонического режима: прогибание сменяется общим поднятием, центральные поднятия приводят к обмелению морских бассейнов, появляются многочисленные острова, архипелаги. Осадконакопление исключительно терригенное. Частные прогибы и впадины заполняются нижней молассой, сложенной относительно тонкими морскими осадками – глинами, алевролитами, песчаниками. В лагунах формируются угленосные или соленосные молассы в зависимости от климата. Внедряются гранитоидные интрузии. Вулканизм ослабевает, становится наземным. Формируются гравитационные складки, надвиги. Образуется низкая островная суша, где скорость денудации близка к скорости тектонического воздымания.

С о б с т в е н н о о р о г е н н а я с т а д и я отличается прежде всего преобладанием скорости воздымания над скоростью денудации. Растут поднятия, происходит горообразование, в зонах выше снеговой линии образуются ледники. Углубляются предгорные и межгорные прогибы, заполняемые верхней молассой – породами полностью континентального происхождения. Это конгломераты речного происхождения в переслаивании с песчаниками, алевролитами, аргиллитами. В аридном климате это красноцветные толщи. Горо– и складкообразование приводили к образованию глубинных разломов, вдоль которых образовывались вулканы центрального типа, извергающие андезит – липаритовую лаву, но в конце стадии вулканизм опять меняется на базальтовый ( конечный вулканизм по Г. Штилле ). Интрузивные формации – ультракислого и щелочного состава. В конце стадии завершается складкообразование, формируются пологие надвиги и покровы ( шарьяжи ).

П о с т о р о г е н н а я ( т а ф р о г е н н а я ) с т а д и я выделяется как наиболее поздняя стадия развития геосинклинали, или начальная стадия платформенного режима. Для нее характерны активная эрозия горных сооружений и денудация.