Реологические свойства коры и мантии, литосферы и астеносферы

1 Напомним, что реологией (греч. «рео» — теку) называется наука, промежуточная между гидромеханикой и теорией упругости и рассматривающая процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями и течением вязких и пластичных материалов, в нашем случае — горных пород.

Характер тектонических процессов, протекающих на разных уровнях в твердой Земле, в значительной степени зависит от физических, точнее реологических¹ свойств отдельных ее оболочек. Важнейшим показателем этих свойств является вязкость. Вязкость горных пород зависит от их петрографического состава, содержания воды, температуры и давления. Первые два фактора, особенно второй, вносят некоторую неопределенность в оценку вязкости глубинных пород, а последние два, закономерно возрастая с глубиной, дают возможность рассчитать изменение вязкости в этом направлении. При этом температурные условия зависят от величины теплового потока, который в свою очередь зависит от возраста коры, особенно океанской. Косвенными показателями вязкости являются скорости распространения сейсмических волн и сейсмическая активность: чем последняя выше, тем с более вязкими, более хрупкими породами мы имеем дело, а отсутствие сейсмичности указывает на переход от хрупкого к пластичному состоянию.

Различия в вязкости сказываются уже при деформации верхнего — осадочного (осадочно-вулканогенного) слоя земной коры. В его составе принято выделять по деформационным свойствам два типа пород — компетентные и некомпетентные. Первые достаточно упруги, способны передавать напряжения на значительные расстояния, сохраняют свою мощность и в основном определяют форму образующихся складок, их основной каркас. К компетентным породам относятся известняки, доломиты, массивные песчаники, вулканические лавы, образующие достаточно мощные (десятки метров и больше) пачки. Некомпетентные породы обладают повышенной пластичностью, изменяют свою мощность при складкообразовании, ведут себя пассивно и приспосабливаются к форме складок, образуемых компетентными породами. К некомпетентным породам принадлежат глины, соли, гипсы, отчасти мергели и толщи тонкого переслаивания; в частности флиш. При чередовании в разрезе компетентных и некомпетентных пород нередко наблюдается дисгармоничная складчатость, в которой компетентные породы образуют крупные складки, а некомпетентные обнаруживают более мелкую и сложную складчатость.

В консолидированной континентальной коре высокой вязкостью и хрупкостью обладает ее верхняя часть до глубины 10—15 км; в ее пределах и сосредоточена основная сейсмическая активность. Нижняя кора начиная с глубины 15—20 км оказывается существенно пластичной. В некоторых случаях, а именно при более высоком тепловом потоке в верхах нижней коры, на уровне границы Конрада наблюдается новое повышение вязкости и тогда вырисовывается два минимума вязкости — один в низах верхней коры, другой в нижней коре. На уровне границы Мохо вязкость снова возрастает, затем постепенно снижаясь в литосферной мантии, вплоть до границы астеносферы. Таким образом, в континентальной литосфере выделяются один или два уровня пониженной вязкости — в нижней и средней коре, что и обусловливает ее тектоническую расслоенность и различное поведение коры и литосферной мантии в процессе перемещения и деформаций литосферных плит с континентальной корой.

Иные соотношения наблюдаются в океанской литосфере. Общей тенденцией является сначала, до глубины порядка 5 км, резкое возрастание вязкости, затем ее постепенный рост с дальнейшим увеличением глубины, сменяющийся значительно более быстрым падением к границе астеносферы. При этом наблюдается сильная зависимость от возраста литосферы, определяющего степень ее разогрева. Чем моложе океанская литосфера, тем на меньшей глубине начинается падение вязкости. Этим, согласно Р. Майснеру и Т. Уиверу, можно объяснить срыв пластин офиолитовых шарьяжеи, включающих кроме пород коры еще 5—7 км по мощности пород верхней мантии. Тем самым получает объяснение факт, что обдукции обычно подвергается молодая и тонкая океанская литосфера. Кроме того, в литосфере с возрастом 30 млн лет и менее на границе Мохо отмечается понижение вязкости, что создает условия для срыва некоторых офиолитовых покровов непосредственно по поверхности Мохо, тем более что на уровне последней обычно наблюдается интенсивная серпентинизация.

Итак, реологическая расслоенность литосферы является предпосылкой ее тектонической расслоенности, в особенности свойственной континентальной литосфере. Образование тектонических покровов разной глубинности с их отслаиванием в пределах чехла (по пластичным, некомпетентным породам), в основании чехла (по поверхности кристаллического фундамента), в основании верхней коры, по поверхности Мохо и, наконец, вдоль границы литосферы и астеносферы получает свое естественное объяснение.

Переход от литосферы к астеносфере знаменуется более или менее резким, в зависимости от величины теплового потока, понижением вязкости. Вязкость астеносферы под континентами составляет 10²¹—10²² П (пуаз), под океанами — 10¹⁹—10²⁰ П по сравнению с 10²²—10²⁶ и 10²²—10²⁵ П для литосферы. В отличие от литосферы астеносфера не обладает пределом прочности и ее вещество способно к деформации (течению) даже под действием очень малых избыточных давлений. Именно этим в конечном счете обеспечивается изостатическое равновесие литосферы — при возрастании на нее нагрузок и погружении происходит отток астеносферы на глубине и ее нагнетание в область утонения литосферы вследствие денудации или других причин. Скорость подъема земной поверхности при снятии ледовой нагрузки со щитов, подвергавшихся четвертичному покровному оледенению, и дала возможность впервые определить вязкость астеносферы (С.А. Ушаков и др.).

В подастеносферной мантии вязкость должна быть выше, чем в астеносфере, но ее определение затрудняется отсутствием достоверных сведений о температуре на соответствующй глубине. Исходя из того, что вязкость здесь не должна препятствовать конвекции (см. 18.3), вязкость средней мантии до глубины 670 км принимается 10²²— 10²³ П, а нижней мантии — 10²³—10²⁴ П (В.Н. Жарков).