Структурно-геоморфологические методы (неотектонический анализ)

Охарактеризованные выше методы палеотектонического анализа имеют ограниченную применимость для изучения тектонических движений и деформаций новейшего этапа развития земной коры, поскольку отложения этого этапа находятся в основном за пределами современной суши, а в ее пределах встречаются, если не считать тонкого покрова четвертичных континентальных осадков, лишь в отдельных впадинах. Поэтому они сохраняют свое значение только для этих впадин. Но зато появляется возможность использования комплекса других методов — структурно-геоморфологических, основанных на изучении особенностей современного рельефа земной поверхности, поскольку этот рельеф создан главным образом, если не исключительно, именно новейшими движениями и деформациями. Поэтому структурно-геоморфологические методы, т. е. восстановление новейших структур и создавших их движений и деформаций по особенностям рельефа, стали основными для неотектонического анализа. Выявление новейших структур имеет большое практическое значение: для поисков залежей нефти и газа, на размещение которых новейшие движения оказывают нередко решающее влияние, для поисков россыпных месторождений, рудных месторождений новейших металлогенической эпохи (Hg, Sb, As и др.), при строительстве атомных и гидроэлектростанций, портовых сооружений и пр. Результатом развития исследований этого направления явилось становление особой дисциплины, пограничной между геоморфологией и геотектоникой, — структурной геоморфологии.

Орографический и батиметрический методы наиболее простые из геоморфологических методов. Первый из них применим в тех областях суши, где скорость вертикальных движений намного превышает скорость денудации. В областях внутриконтинентального, эпиплатформенного орогенеза, таких как Тянь-Шань, Саяны, Забайкалье, сводовые и сводово-глыбовые поднятия и разделяющие их впадины отчетливо выражены в рельефе. Более мелкие, «живые», складчатые дислокации особенно хорошо выражены орографически на погружениях складчатых систем, на периферии, реже в осевых зонах предгорных и межгорных депрессий, например в Терско-Кумской, Куринской, Ферганской впадинах (в последней антиклинальные возвышенности именуются «адырами»). В центральных частях горных систем проявление складчатых деформаций подавлено деформациями более крупного радиуса — сводовыми, а в центральных частях прогибов — накоплением осадков, и для выявления развивающихся складок требуется применение более детальных исследований.

Непосредственно выражены в рельефе морского дна и могут обнаруживаться батиметрическим методом поднятия и прогибы разного масштаба, находящиеся ниже базиса действия волн, т.е. в среднем порядка 150—200 м.

Начиная с конца 70-х годов важную информацию о подводном рельефе океанского дна дает спутниковая альтиметрия (лазерная и радарная), поскольку с ним тесно связан и рельеф поверхности воды Мирового океана. По промерам расстояний от орбиты спутника до поверхности океана строятся карты ее рельефа, первая такая карта была опубликована в США в 1978 г. Крупные понижения поверхности океана находятся над гравитационными максимумами (самое глубокое у Мальдивских островов), крупные поднятия — над гравитационными минимумами (самое высокое у Новой Гвинеи), общая амплитуда рельефа около 180 м. На этом фоне различимы разнообразные формы с относительными превышениями от сантиметров до 15—20 м, которые находятся в прямом соответствии с рельефом океанского дна (рис. 9.13).

Рис. 9.13. Рельеф поверхности геоида в океанах (по данным лазерной и радарной спутниковой альтиметрии) как отражение подводного рельефа:
I — над хребтом Кергелен, изогипсы в метрах (по М. Реко, Ф. Шарви, 1987); II — над Гавайским хребтом (по Д.Т. Сандуэлу, К.Р. Маккензи, 1989); III — над Алеутским глубоководным желобом и островной дугой (по А. Казенаве и др. 1986)

Морфометрические методы. Для более точного оконтуривания поднятий и выявления активных разломов в пределах сильно расчлененных денудацией молодых горных стран и денудационных равнин платформ применяются различные морфометрические методы, разработанные в основном в нашей стране: для равнин — В.П. Философовым, Л.Б. Аристарховой, для горных стран — Н.П. Костенко, А.В. Орловой, Н.П. Кочневой. Исходным материалом служат топографические карты, которые обрабатываются таким образом, чтобы снять влияние денудационного расчленения, в особенности эрозионного вреза. Конкретные приемы такого снятия различны: в методике В. П. Философова они заключаются в проведении огибающих кривых, проходящих через пересечение тальвегов долин одного порядка одноименными изогипсами (карты базисных поверхностей), в методике Л.Б. Аристарховой такими кривыми соединяются положительные выступы одноименных и отдельные отметки близких по значению горизонталей (карты морфоизогипс). Исследователи горных стран ориентируются на отметки вершинных поверхностей и полосы крутых уступов рельефа, интерпретируемые как отражение разломов; в результате выявляется глыбовое (блоковое) или сводово-глыбовое (блоковое) расчленение горных стран.

Изучение морских побережий. Наличие такого естественного репера, как уровень моря (то же относится к озерам), создает возможность выявления и количественной оценки поднятий и опусканий побережий. Наилучшие условия для этого находятся в районах с развитием морских террас. Террасы представляют пологонаклоненные в сторону моря площадки, отвечающие верхней части былой материковой отмели, примыкающей к древнему береговому уступу. Ее тыльный шов соответствует береговой линии времени формирования террасы и именно по нему замеряется ее современная высота над уровнем моря. Выработка уступа и выровненной поверхности самой террасы указывает на относительно устойчивое положение береговой линии. Затем должно было произойти понижение уровня моря и выработка новой террасы на более низком уровне¹. Такое понижение может быть следствием двух причин: проявления отрицательных эветатических колебаний или поднятия суши. В первом случае террасы должны прослеживаться на одинаковой высоте и разность их отметок должна выдерживаться на большом протяжении. Это характерно для платформенных областей. Во втором случае высота террас и разность их отметок испытывают значительные колебания; на участках интенсивных погружений и накопления осадков они сближаются, а затем уходят ниже уровня моря. На шельфе близ берегов нередко встречаются затопленные террасы — свидетельство быстрого подъема уровня моря или быстрых опусканий суши.

1 Российские исследователи теоретически показали, что террасы могут возникать и при равномерном снижении уровня моря или поднятии суши.

2 Этот признак не имеет абсолютного значения: при малой устойчивости пород берег усиленно размывается и при медленном поднятии.

3 Но дельты крупных рек обычно локализуются в крупных прогибах, перпендикулярных побережью, и их рост связан с превышением темпа накопления осадочного материала над скоростью опускания субстрата дельты.

Изучение морфологии берегов дает дополнительный материал для суждения о направленности новейших движений. Для опускающихся берегов характерен резко изрезанный контур с многочисленными заливами, бухтами, полуостровами, мысами, абразионным типом берега², с устьями рек в виде эстуариев или уменьшающихся в размерах дельт, а также уменьшающиеся благодаря наступанию баров лагуны, понижающиеся в сторону моря береговые валы. На шельфе против таких берегов часто наблюдаются следы затопленного наземного рельефа — подводные продолжения речных долин, моренные гряды, дюны, барханы, затопленные леса, торфяники, коры выветривания, почвы, погребенные льды, обращенные формы рельефа (понижения на месте антиклиналей), погруженные ниже уровня обитания рифостроящих организмов (до 45—50 м) и отмершие коралловые рифы. Поднимающимся берегам свойственны: более или менее выровненные очертания, преимущественно аккумулятивный тип берега, устья рек в виде дельт, испытывающих разрастание³, серии береговых валов с отметками, повышающимися в сторону суши, разрастающиеся бары, а иногда и отгороженные ими лагуны, поднятые коралловые рифы.

Изучение речной сети и речных долин. Заложение речных долин, как правило, предопределяется тектоническими условиями: они развиваются преимущественно вдоль разрывов, зон повышенной трещиноватости и синклинальных понижений. При перестройке структурного плана реки вынуждены приспосабливаться к растущим антиклинальным поднятиям, наиболее активные из которых отклоняют течение реки и вызывают изгибы речного русла. При особенно быстром росте поднятий реки покидают свои прежние долины, сохраняющиеся в виде висячих долин, и прокладывают новые в обход этих поднятий, образуя излучины. Но если речной поток обладает большой живой силой, река оказывается в состоянии преодолеть подъем складки и сохранить прежнее положение, углубляя свое русло с постепенным возрастанием глубины вреза. Так образуются антецедентные долины — прорывы реки, через более молодые антиклинальные возвышенности. В таких долинах нередко наблюдаются врезанные меандры — признак того, что река первоначально текла по равнине. Перестройки структурного плана часто являются также причиной речных перехватов — расширения одного речного бассейна за счет другого. Обычно таким бассейном оказывается тот, который расположен в области большего относительного тектонического погружения.

Тектонические движения, испытываемые местностью, по которой протекает река, находят свое отражение и в форме продольного и поперечного профиля, и во всем строении ее долины.

На участке относительных поднятий увеличивается уклон русла реки, меандры испытывают спрямление или исчезают вовсе, пойма суживается, аллювий представлен наиболее грубыми разностями, обладает небольшой мощностью, относится к типу перестилаемого аллювия или вообще отсутствует, ширина долины невелика, террасы узкие, цокольного или эрозионного типа, достигают значительной высоты над руслом, число их сравнительно велико. При особенно быстром поднятии долина сужается до ширины поймы, террасы вообще исчезают, эрозионный врез резко увеличивается, река течет в каньоне.

Рис. 9.14. «Ножницы» террас р. Сулак при переходе от сводового поднятия Большого Кавказа к Терскому передовому прогибу, где бурением вскрыты коррелятивные аллювиальные отложения (al), а далее на север — фациально замещающие их морские отложения (m). По А.В. Кожевникову (1964):
1 — глины; 2 — суглинки; 3 — пески; 4 — галечники

На участке относительных опусканий уклон русла уменьшается, пойма и вся долина расширяются, появляются меандры, аллювий относится к выстилающему типу, сложен тонким материалом, представлен пойменной и старичнои фациями, обладает значительной мощностью, его подошва нередко залегает заметно глубже современного ложа реки (переуглубленные долины), террасы широкие, аккумулятивного типа, сравнительно малочисленные, так как при переходе от участков поднятий происходит их слияние и частичный уход под уровень русла, начиная с более молодых и низких; высота террас и разности их отметок понижаются (рис. 9.14). В аридных зонах характерно появление пойменной растительности на участках речных долин, расположенных сразу выше по течению от зон поднятий, благодаря подпруживанию подруслового потока, остающегося на месте реки в жаркое и сухое время года.

1 Согласно этому закону, реки, протекающие в Северном полушарии отклоняются вправо вследствие вращения Земли (в Южном полушарии — влево).

Нередко наблюдаемая асимметрия речных долин — один берег крутой, другой — пологий, если она не подчиняется закону Бэра¹, связана с неравномерным поднятием берегов. Вообще, если река течет параллельно растущему поднятию, она постепенно сползает с него и подмывает противоположный берег. Но иногда наблюдается и обратная картина: антиклиналь, которой отвечает значительный гравитационный максимум, как бы притягивает к себе реку и тогда та подмывает «антиклинальный берег» (подмыв Волгой Жигулевских гор и т. п.).

Изучение поверхностей выравнивания. Подобно тому как изучение высотных отметок морских и речных террас дает представление об амплитуде и скорости новейших поднятий на побережьях и в долинах, в пределах водораздельных пространств горных стран и денудационных равнин реперами служат поверхности выравнивания В то время как наиболее древние речные террасы имеют плиоценовый возраст, наиболее молодые поверхности выравнивания относятся к раннечетвертичному времени, а наиболее ранние восходят к миоцену в эпигеосинклинальных орогенах (Кавказ, Карпаты и др.), к палеогену — мелу в эпиплатформенных орогенах (Тянь-Шань, Урал и др.), к мелу — юре на древних платформах (Сибирская, Африканская, Южно-Американская). Поэтому изучение поверхностей выравнивания, их деформаций служит практически единственным методом восстановления тектонических движений суши неоген-палеогенового и мезозойского времени.

1 В некоторых горных сооружениях свидетелем былого существования такой поверхности служит лишь примерная одновысотность водораздельных вершин («уровень вершин»).

Поверхности выравнивания (пенеплены) в горных странах представляют относительно слабоволнистые, располагающиеся почти горизонтально или полого наклоненные к периферии горных сооружений нагорные равнины, срезающие складчатую структуру этих сооружений. Они образуют в их рельефе как бы «лестницу», служащую продолжением вверх «лестницы» речных и морских террас. Наиболее высокая и наиболее древняя поверхность занимает центральную часть хребта, нередко охватывая его главный водораздел¹ и переходя с одного склона на другой. Остальные поверхности выравнивания развиты по периферии хребта и располагаются концентрически, последовательно понижаясь к окраинам горной страны. На этих поверхностях, особенно более низких и молодых, местами сохраняются осадки, чаще всего речные, озерные, иногда морские, что создает возможность непосредственного определения условий их образования и возраста.

Первично поверхности выравнивания представляли собой денудационные, абразионные или абразионно-аккумулятивные (ближе к морскому бассейну) равнины. Образование их «лестницы» связано, очевидно, с периодическим оживлением и усилением восходящих движений (рис. 9.15). Поднятие вызывает оживление попятной глубинной эрозии, распространяющейся от смежных бассейнов передовых и межгорных прогибов. Эрозия сначала глубинная, затем боковая и последующий плоскостной смыв с отступанием склонов, а нередко и абразия, связанная с трансгрессией моря на периферии горного сооружения, частично уничтожают более раннюю поверхность выравнивания и создают новую на более низком уровне. Этот процесс обычно не доходит до конца и прерывается новой фазой воздымания. В результате в центральной части горного сооружения (или континентальной платформы) сохраняются останцы более древней поверхности, окаймленной по периферии более молодой. Так возникает целая серия поверхностей выравнивания, пока, наконец, восходящие движения не станут настолько интенсивными, а периоды их затухания настолько непродолжительными, что начнется энергичное врезание речных долин, а боковая эрозия ограничится выработкой террасовых поверхностей в пределах последних.

Рис. 9.15. Схема последовательного формирования поверхностей выравнивания I—III по мере поднятия горного сооружения; штриховкой обозначен очередной денудационный врез (по В.Е. Хаину, 1973). Внизу — тектонические деформации (изгибы, разрывные смещения) одной из древних поверхностей выравнивания в Заилийском Алатау (по А.В. Горячеву, 1959)

Поскольку поверхности выравнивания образуются на небольшой высоте над уровнем моря и их поверхность может быть приближенно принята за горизонтальную, современная абсолютная высота данной поверхности дает возможность определить общую амплитуду и скорость поднятия горной страны со времени ее образования. азность отметок между двумя смежными поверхностями позволяет определить амплитуду и скорость поднятия за время, отделяющее возникновение более высокой и древней поверхности от более низкой и молодой. Изменение отметок одной и той же поверхности и испытываемые ею вертикальные смещения указывают на ее деформацию и позволяют выявить характер этой деформации путем построения соответствующих карт. Это, по существу, основной метод изучения структуры внутриконтинентальных, эпиплатформенных орогенов.

Затруднения вызывает определение возраста отдельных поверхностей выравнивания там, где они не перекрыты палеонтологически охарактеризованными отложениями. В этом случае приходится прибегать к сопоставлению с коррелятными отложениями смежных седиментационных бассейнов, в частности предгорных и межгорных прогибов. В их разрезах времени выработки каждой поверхности выравнивания соответствует (т.е. с ней коррелируется, откуда и название «коррелятные») пачка осадков, начинающаяся с более грубых (начало врезания) и заканчивающаяся более тонкими (конец формирования поверхности) образованиями. Залегают эти пачки в обратной последовательности по отношению к «лестнице» поверхностей — более древние под более молодыми. Абсолютная амплитуда и скорость поднятия за новейшее время могут быть определены по минералам магматических пород, если известны их возраст, температура образования и палеогеотермический градиент. Примером может служить Береговой хребет Британской Колумбии (Западная Канада), где история поднятия за неоген изучалась по цирконам и апатитам, возраст которых был установлен по следам радиоактивного распада («трекам деления»).

Картографический метод. Синтезом всех данных о проявлении новейших движений являются карты новейшей тектоники. Первая такая карта для территории СССP была опубликована в 1950 г. под редакцией Н.И. Николаева и С.С. Шульца, в 1977 г. вышло ее второе издание. В 1983 г. была издана «Неотектоническая карта Мира» под редакцией Н.И. Николаева. На всех этих картах цветовыми обозначениями показано распределение новейших (миоцен-четвертичных на первой карте, олигоцен-четвертичных — на второй) поднятий и опусканий: для них установлены различные цветовые гаммы. Амплитуда поднятий оценена по отметкам поверхностей выравнивания и современного рельефа, амплитуда опусканий — по положению подошвы миоценовых (на первой карте) или олигоценовых (на второй карте) отложений во впадинах. Для платформенных областей и орогенов приняты разные шкалы амплитуд движений и применены разные оттенки цветов, разными оттенками выделены эпигеосинклинальные и эпиплатформенные орогены, хотя они и не различаются по амплитудам и градиентам поднятий. Несовершенством этих карт, особенно первой, является недостаточное отражение горизонтальных движений; показаны лишь некоторые надвиги и сдвиги, без указания их амплитуды.